Question

7．科學(xué)家積極探索新技術(shù)對(duì)CO₂進(jìn)行綜合利用．
I．CO₂可用來(lái)合成低碳烯烴．
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H=akJ/mol
請(qǐng)回答：
（1）已知：H₂和CH₂=CH₂的燃燒熱分別是285.8kJ/mol和1411.0kJ/mol，且H₂O（g）?H₂O（1）△H=-44.0kJ/mol，則 a=-127.8kJ/mol．
（2）上述由CO₂合成CH₂=CH₂的反應(yīng)在低溫下自發(fā)進(jìn)行（填“高溫”或“低溫”），理由是根據(jù)△G=△H-T△S，△H＜0△S＜0，要使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行使△G＜0，需低溫下進(jìn)行．
（3）在體積為1L的密閉容器中，充入3mol H₂和1mol CO₂，測(cè)得溫度對(duì)CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率和催化劑催化效率的影響如圖1所示．下列說(shuō)法正確的是AC．
A．平衡常數(shù)大小：K_M＞K_N
B．其他條件不變，若不使用催化劑，則250℃時(shí)CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率可能位于點(diǎn)M₁
C．圖1中M點(diǎn)時(shí)，乙烯的體積分?jǐn)?shù)為7.7%
D．當(dāng)壓強(qiáng)或n（ H₂）/n（CO₂）不變時(shí)均可證明化學(xué)反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)
（4）保持溫度不變，在體積為VL的恒容容器中以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比加入反應(yīng)物，t₀時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡．t₁時(shí)將容器體積瞬間擴(kuò)大至2V L并保持不變，t₂時(shí)重新達(dá)平衡．請(qǐng)?jiān)趫D2中作出容器內(nèi)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量$\overline{M}$隨時(shí)間變化的圖象．

II．利用“Na-CO₂”電池將CO₂變廢為寶．
我國(guó)科研人員研制出的可充電“Na-CO₂”電池，以鈉箔和多壁碳納米管（MWCNT）為電極材料，總反應(yīng)為4Na+3CO₂$?_{充電}^{放電}$2Na₂CO₃+C．放電時(shí)該電池“吸入”CO₂，其工作原理如圖3所示：
（5）放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式為3CO₂+4Na⁺+4e^-=2Na₂CO₃+C．
（6）若生成的Na₂CO₃和C全部沉積在電極表面，當(dāng)轉(zhuǎn)移0.2mol e^-時(shí)，兩極的質(zhì)量差為15.8g．
（7）選用髙氯酸鈉-四甘醇二甲醚做電解液的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好，與金屬鈉不反應(yīng)，難揮發(fā)（至少寫(xiě)兩點(diǎn)）．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8 kJ/mol；
    ②C₂H₄（g）+3O₂（g）=2H₂O（l）+2CO₂（g）△H=-1411.0kJ/mol；
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44kJ/mol
將方程式6①-②-4③得6H₂（g）+2CO₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$C₂H₄ （g）+4H₂O（g）△H進(jìn)行相應(yīng)的改變；
（2）依據(jù)平衡常數(shù)隨溫度變化分析溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，據(jù)此判斷；
（3）A．反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向進(jìn)行；
B．根據(jù)圖象分析；
C．圖中M點(diǎn)時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率50%，結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算列式得到；
D．混合氣體的質(zhì)量不變，體積不變，所以混合氣體的密度始終不變；
（4）反應(yīng)前混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量=$\frac{44×2+2×6}{2+6}$=12.5，隨著反應(yīng)進(jìn)行，氣體的物質(zhì)的量減小，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量增大，至t₀時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡，t₁時(shí)將容器體積瞬間擴(kuò)大至2V L，平衡向逆方向移動(dòng)，t₂時(shí)重新達(dá)平衡；
Ⅱ（5）據(jù)正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)書(shū)寫(xiě)電極方程式；
（6）據(jù)電極方程式得到兩極的質(zhì)量，進(jìn)而求質(zhì)量差；
（7）選用髙氯酸鈉-四甘醇二甲醚做電解液的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好，與金屬鈉不反應(yīng)，難揮發(fā)，據(jù)此進(jìn)行分析．

解答 解：（1）①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8 kJ/mol；
②C₂H₄（g）+3O₂（g）=2H₂O（l）+2CO₂（g）△H=-1411.0kJ/mol；
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44kJ/mol
將方程式6①-②-4③得6H₂（g）+2CO₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$C₂H₄ （g）+4H₂O（g）△H=6（-285.8 kJ/mol ）-（-1411.0kJ/mol ）-4（-44kJ/mol）=-127.8kJ/mol；
故答案為：-127.8；
（2）根據(jù)上面熱化學(xué)方程式，△H＜0即正向放熱反應(yīng)，6H₂（g）+2CO₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$C₂H₄ （g）+4H₂O（g）反應(yīng)前后氣體體積減小，熵變△S＜0，滿足△H-T△S＜0，應(yīng)在低溫下能自發(fā)進(jìn)行；理由是根據(jù)△G=△H-T△S，△H＜0△S＜0，要使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行使△G＜0，需低溫下進(jìn)行；
故答案為：低溫；根據(jù)△G=△H-T△S，△H＜0△S＜0，要使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行使△G＜0，需低溫下進(jìn)行；
（3）A．升高溫度二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率減低，則升溫平衡逆向移動(dòng)，所以M化學(xué)平衡常數(shù)大于N，故A正確；
B．由圖象可知，其他條件不變，若不使用催化劑，則250℃時(shí)CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率可能位于點(diǎn)M，故B錯(cuò)誤；
C．若在密閉容器中充入體積比為 3：1的 H₂ 和CO₂，設(shè)為3mol、1mol，則圖中M點(diǎn)時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率50%，
         6H₂（g）+2CO₂（g）$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$C₂H₄ （g）+4H₂O（g）
起始量（mol）  3       1                          0             0
變化量（mol）  1.5     0.5                      0.25        1
平衡量（mol）  1.5     0.5                      0.25        1
產(chǎn)物CH₂=CH₂的體積分?jǐn)?shù)=$\frac{0.25}{1.5+0.5+0.25+1}$×100%=7.7%，故圖1中M點(diǎn)時(shí)，乙烯的體積分?jǐn)?shù)為7.7%，故C正確；
D．混合氣體的質(zhì)量不變，體積不變，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能根據(jù)混合氣體的密度來(lái)判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤，
故答案為：AC；
（4）反應(yīng)前混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量=$\frac{44×2+2×6}{2+6}$=12.5，所以起點(diǎn)坐標(biāo)為（0，12.5），隨著反應(yīng)進(jìn)行，氣體的物質(zhì)的量減小，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量增大，至t₀時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡，若全部轉(zhuǎn)化為CH₂=CH₂和H₂O平均相對(duì)分子質(zhì)量=$\frac{28+18×4}{1+4}$=20，則t₀達(dá)平衡時(shí)$\overline{M}$應(yīng)在區(qū)間（12.5，20），t₁時(shí)將容器體積瞬間擴(kuò)大至2V L，平衡向逆方向移動(dòng)，t₂時(shí)重新達(dá)平衡，平均相對(duì)分子質(zhì)量減小，t₂達(dá)平衡時(shí) $\overline{M}$應(yīng)大于12.5，所以圖象為，
故答案為：；

Ⅱ（5）正極CO₂得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故電極方程式為3CO₂+4Na⁺+4e^-=2Na₂CO₃+C，
故答案為：3CO₂+4Na⁺+4e^-=2Na₂CO₃+C；
（6）正極發(fā)生的電極反應(yīng)
       3CO₂+4Na⁺+4e^-=2Na₂CO₃+C
         3                 4         2         1
       0.15             0.2        0.1      0.05，
m（總）=m（Na₂CO₃）+m（C）=106g/mol×0.1mol+12g/mol×0.05mol=11.2g，
負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)
4Na-4e^-=4Na⁺
92     4
4.6   0.2，m（Na）=4.6g，
故兩極的質(zhì)量差為11.2g+4.6g=15.8g，
故答案為：15.8；
（7）選用髙氯酸鈉-四甘醇二甲醚做電解液的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好，與金屬鈉不反應(yīng)，難揮發(fā)，
故答案為：導(dǎo)電性好，與金屬鈉不反應(yīng)，難揮發(fā)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查本題考查了蓋斯定律、化學(xué)平衡移動(dòng)的影響因素、化學(xué)平衡計(jì)算等，注意把握蓋斯定律的應(yīng)用方法、三段式在化學(xué)平衡計(jì)算中的靈活應(yīng)用是解題的關(guān)鍵，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力、計(jì)算能力和畫(huà)圖能力，題目難點(diǎn)中等．