Question

【題目】請(qǐng)運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)研究碳及其化合物的性質(zhì)。

(1)工業(yè)上可利用CO或CO2來制備清潔液體燃料甲醇。已知: 800℃時(shí)

反應(yīng)①:2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=-90.8 kJ/mol

反應(yīng)②:H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H=+41.2kJ/mol

(1)寫出用CO2與H2反應(yīng)制備甲醇的熱化學(xué)方程式___________________________________。

(2)對(duì)于反應(yīng)①，在體積一定的密閉容器中按物質(zhì)的量之比1:2充入CO和H2，測得平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖1所示。據(jù)此判斷

①壓強(qiáng)P1_____P2(填“>”“<”或“=”，下同)

②平衡常數(shù)K(狀態(tài)C)_____K(狀態(tài)D)

③反應(yīng)速率:V逆(狀態(tài)A)_____V逆(狀態(tài)B)

(3)對(duì)于反應(yīng)②，在體積一定的密閉容器中加入一定量的H2和CO。進(jìn)行反應(yīng)。下列說法正確的是______。

A.若該反應(yīng)在恒容，絕熱的容器中進(jìn)行，當(dāng)容器中壓強(qiáng)保持不變時(shí)表明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)

B.該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，向平衡體系中充入一定量的氦氣，平衡可能發(fā)生移動(dòng)

C.恒溫恒容條件下，若改變反應(yīng)物的投入量，△H的值不發(fā)生變化

D.恒溫恒容條件下，若投入氣體的總量保持不變，設(shè)起始投料比[n(H2)/n(CO2)]=X，當(dāng)X=2或1/2時(shí)，H2O的體積分?jǐn)?shù)不變。

(4)利用光能和光催化劑，可將CO2和H2O(g)轉(zhuǎn)化為CH4和O2。紫外線照射時(shí)，在不同催化劑(I、II、III)作用下，CH4產(chǎn)量隨光照時(shí)間的變化如下圖2所示，在0-15h內(nèi)，對(duì)反應(yīng)催化效果最好的催化劑是____________(填序號(hào))。

(5)一種新利CO燃料電池工作原理如上圖3所示，該電池負(fù)極電極反應(yīng)式為______________，電極A處產(chǎn)生的CO2有部分參與循環(huán)利用，其利用率為______________________。

Answer 1

【答案】 CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.6kJ/mol > = < A C D II CO+CO32--2e-=2CO2 50%

【解析】(1)①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g) △H=-90.8kJmol-1，②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g) △H=+41.2kJmol-1，根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H=-49.6kJ/mol，故答案為：3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.6kJ/mol；

(2)①由300℃時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，CH3OH的體積分?jǐn)?shù)增大，所以P1＞P2，故答案為：＞；

②平衡常數(shù)與壓強(qiáng)無關(guān)，只與溫度有關(guān)，B、C、D溫度相等，則KB=KC=KD，故答案為：=；

③由A到B壓強(qiáng)增加，溫度升高，逆反應(yīng)速率增加，故v逆(A)＜v逆(B)，故答案為：＜；

(3)對(duì)于反應(yīng)②H2(g)+CO2(g) H2O(g)+ CO (g) △H=+41.2kJ/mol，在體積一定的密閉容器中加入一定量的H2和CO進(jìn)行反應(yīng)。

A.若該反應(yīng)在恒容，絕熱的容器中進(jìn)行，該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，容器中氣體的壓強(qiáng)始終不變，但反應(yīng)吸熱，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氣體的壓強(qiáng)逐漸減小，當(dāng)保持不變時(shí)說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，正確；B.該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，向平衡體系中充入一定量的氦氣，該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，平衡不可能發(fā)生移動(dòng)，錯(cuò)誤；C.恒溫恒容條件下，△H的值不隨反應(yīng)物的投入量變化而變化，正確；D. 根據(jù)H2(g)+CO2(g) H2O(g)+ CO (g) 可知，恒溫恒容條件下，若投入氣體的總量保持不變，設(shè)起始投料比[n(H2)/n(CO2)]=X，當(dāng)X=2或1/2時(shí)，轉(zhuǎn)化的氫氣或二氧化碳的相等，生成的H2O相等，水的體積分?jǐn)?shù)不變，正確；故選ACD；

(4)由圖可知，0-15小時(shí)內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)第Ⅱ種催化劑的作用下收集的CH4最多，反應(yīng)催化效果最好的催化劑是Ⅱ，故答案為：Ⅱ；

(5)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CO-2e-+CO32-=2CO2，根據(jù)負(fù)極2CO+2CO32--4e-=4CO2，而正極反應(yīng)為O2+4e-+2CO2═2CO32-，所以在轉(zhuǎn)移4mol電子相同的情況下負(fù)極產(chǎn)生4mol的二氧化碳，而正極消耗2mol的二氧化碳，所以利用率為50%，故答案為：CO-2e-+CO32-=2CO2；50%。