Question

20．碳及其化合物在生活、化工領域發揮著重要的作用．試回答下列問題：

（1）二甲醚（CH₃0CH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源．工業上可用CO₂和H₂反應合成
二甲醚：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H₀已知：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1
①△H=-130.8kJ．mol^-1
②下列能判斷恒溫恒容條件下合成二甲醚的反應已達到平衡的依據為bc（填字母）．
a．氣體密度不變
b．壓強不變
c．氣體平均相對分子質量不變
d．反應前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，一段時間后測得容器中的比值不變
③上述合成二甲醚的反應在不同溫度、不同投料比時，CO₂的平衡轉化率如圖1所示．T₁溫度下，將6mol CO₂和12mol H₂充人2L的恒容密閉容器中，5min后反應達到平衡狀態，則0～5min內的平均反應速率v（CH₃0CH₃）=0.18 mol/（L•min）；A、B、C三點對應平衡常數K_A、K_B．K_C之間的大小關系為K_A=K_C＞K_B．
（2）有科學家提出由CO₂制取C的太陽能工藝如圖2所示，若重整系統發生的反應中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，則重整系統中發生反應的化學方程式為4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃
（3）以CO₂為原料利用電解法可制取乙烯，其裝置如圖3所示．電極a為電源的負極（填“正極”或“負極”），生成乙烯的電極反應式為2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O．
（4）常溫下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液．反應NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O-NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數K=1.25×10^-3．（已知常溫下NH₃•H₂O的電離平衡常數K_b=2×l0^-5，H₂C0₃的電離平衡常數K₁=4×l0^-7）

Answer 1

分析 （1）①依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
②當一個量在反應未平衡的時候一直在變化，而后來不變了，則可以作為平衡的標志，據此分析；
③T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應達到平衡狀態時二氧化碳轉化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根據平均反應速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{△c}{△t}$；根據平衡常數僅與溫度有關，溫度不變，平衡常數不變，在相同投料比時，T₁溫度下二氧化碳轉化率大，所以T₁溫度下較T₂溫度下正向進行程度大．
（2）根據由CO₂制取C的太陽能工藝圖示可知，CO₂被FeO還原為C，則FeO將被氧化，根據重整系統發生的反應中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4寫出化學方程式；
（3）電極a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素發生了還原反應，據此分析；根據化合價的變化結合溶液呈酸性來寫出電極方程式；
（4）反應NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的電離平衡常數表達式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的電離平衡常數K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，從而可得出平衡常數間的關系，據此分析．

解答 解：（1）①已知反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1 I
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1 II
將I×2-II可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H=（-53.7kJ．mol^-1）×2-（+23.4kJ．mol^-1）=-130.8 kJ．mol^-1，故答案為：-130.8 kJ．mol^-1；
②對于反應：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）
a．由于是恒容的容器，容器體積V一直不變，而此反應全部是氣體參加和生成，故氣體的質量一直不變，則氣體的密度無論反應有沒有達到平衡都一直不變，故不能作為反應達平衡的標志，故a錯誤；
b．由于容器恒容，而此反應正反應方向是氣體的物質的量減小的反應，故反應在平衡之前，容器內的壓強在變小，故當壓強不變時，說明反應達平衡，故b正確；
c．此反應全部是氣體參加和生成，故氣體的質量一直不變，而正反應方向是氣體的物質的量減小的反應，故平衡之前，氣體平均相對分子質量在變大，故當不變時，能說明反應達平衡，故c正確；
d．反應前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，而根據物質的量的該變量等于計量數之比可知，△（C0₂）：△（H₂）=2：6，故無論反應是否達到平衡，n（C0₂）：n（H₂）恒等于2：6即1：3，故當比值不變時，不能說明反應達平衡，故d錯誤；
故選bc；
③T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應達到平衡狀態時二氧化碳轉化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反應速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{\frac{1.8mol}{2L}}{5min}$=0.18 mol/（L•min）；
平衡常數僅與溫度有關，溫度不變，平衡常數不變，所以K_A=K_C，在相同投料比時，T₁溫度下二氧化碳轉化率大，所以T₁溫度下正向進行程度故T₂溫度大，則K_A=K_C＞K_B，
故答案為：0.18 mol/（L•min）；K_A=K_C＞K_B．
（2）由CO₂制取C的太陽能工藝圖示可知，CO₂被FeO還原為C，則FeO將被氧化，根據重整系統發生的反應中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，結合得失電子數守恒和質量守恒可知反應為：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃，故答案為：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃；
（3）電極a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素發生了還原反應，故電極a為陰極，則所連的是電源的負極；此電極上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素的化合價由+4價變為-2價，結合溶液呈酸性可知極方程式為：2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O，故答案為：負極；2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O；
（4）反應NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的電離平衡常數表達式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的電離平衡常數K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，從而可得出平衡常數間的關系K=$\frac{Kw}{{K}_{b}•{K}_{1}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}×4×1{0}^{-7}}$=1.25×10^-3，故答案為：1.25×10^-3．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、反應達平衡的判斷以及平衡常數的有關計算等問題，綜合性較強，是高考的常見題型，難度較大．