Question

6．隨著人類對溫室效應和資源短缺等問題的重視，如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了各國的普遍重視．
（1）目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇．為探究反應原理，現(xiàn)進行如下實驗，在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時放出熱量150kJ．
①寫出該反應的熱化學方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
③該反應的平衡常數(shù)表達式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
④可以證明該反應已達到平衡狀態(tài)的是abc；
a．2個O-H鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵斷裂   
b．混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變
c．正反應速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反應速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min）    
d．密度保持不變
⑤下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CD．
A．升高溫度              B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離   D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（2）在載人航天器的生態(tài)系統(tǒng)中，不僅要求分離去除CO₂，還要求提供充足的O₂．某種電化學裝置可實現(xiàn)如下轉(zhuǎn)化：2CO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2CO+O₂，CO可用作燃料．已知該反應的陽極反應為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O則陰極反應式為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．有人提出，可以設(shè)計反應2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0）來消除CO的污染．請你判斷是否可行并說出理由：不可行，該反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發(fā)進行．

Answer 1

分析 （1）①在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出熱量150kJ，生成1mol甲醇放熱=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，標注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對應反應焓變寫出熱化學方程式；
②由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，由方程式可知氫氣的濃度變化等于甲醇的濃度變化量3倍為2.25mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
③化學平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；
④根據(jù)化學平衡狀態(tài)的特征解答，當反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；
（2）陰極發(fā)生還原反應，CO₂被還原生成CO，總反應式減去陽極反應式得陰極反應式；根據(jù)△G的大小判斷反應能否進行．

解答 解：（1）①在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出熱量150kJ，生成1mol甲醇放熱=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氫氣的濃度變化等于甲醇的濃度變化量為0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol}{10min}$=0.225mol/（L•min），故答案為：0.225mol/（L•min）；
③反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④a．2個O-H鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵斷裂，說明3mol氫氣消耗同時1mol水消耗，正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，故a正確； 
b．反應前后氣體質(zhì)量不變，氣體物質(zhì)的量變化，當混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比，為正反應速率之比，正反應速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反應速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min），說明二氧化碳的正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，故c正確；    
d．反應前后氣體質(zhì)量和體積不變，密度始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故d錯誤；
故答案為：a、b、c；    
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反應移動，則．
A．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，比值減小，故A錯誤；
B．充入He（g），使體系壓強增大，容器的容積不變，反應混合物的濃度不變，平衡不移動，比值不變，故B錯誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，比值增大，故C正確；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，比值增大，故D正確；
故答案為：CD；
（2）總反應式為2CO₂=2CO+O₂，陽極反應為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，總反應式減去陽極反應式得陰極反應式，所以陰極反應為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，反應2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0），則△G=△H-T•△S＞0，反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發(fā)進行；
故答案為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，該反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發(fā)進行．

點評 本題考查反應速率計算、化學平衡的影響因素、平衡常數(shù)等，題目難度中等，注意基礎(chǔ)知識的掌握，把握圖象的分析是解答的關(guān)鍵．