Question

6．“APEC藍(lán)”是形容2014年APEC會(huì)議期間北京藍(lán)藍(lán)的天，如何留住“APEC藍(lán)”，倡導(dǎo)低碳社會(huì)也是一個(gè)重要的方面，研究CO₂的利用對(duì)促進(jìn)低碳社會(huì)的構(gòu)建具有重要意義．二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，
（1）已知：
①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484.0kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
請(qǐng)寫出甲醇的燃燒熱的熱化學(xué)方程式，CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-765kJ/mol該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）{c}^{\frac{3}{2}}（{O}_{2}）}$．
（2）向1L密閉容器中加入2mol CO₂、6mol H₂，在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┳饔孟拢�發(fā)生反應(yīng)：
CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）
①該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫（填“低溫”、“高溫”或“任意溫度”）
②下列敘述能說(shuō)明此反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是ad．
a、混合氣體的平均式量保持不變       b、CO₂和H₂的轉(zhuǎn)化率相等
c、CO₂和H₂的體積分?jǐn)?shù)保持不變       d、混合氣體的密度保持不變
e、1mol CO₂生成的同時(shí)有1mol C-H鍵斷裂
③CO₂的濃度隨時(shí)間（0～t₂）變化如圖所示，在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，t₃時(shí)達(dá)到平衡，t₄時(shí)降低溫度，t₅時(shí)達(dá)到平衡，請(qǐng)畫出t₂～t₆CO₂的濃度隨時(shí)間的變化．

（3）改變條件，使反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0  中的所有物質(zhì)都為氣態(tài)．反應(yīng)過(guò)程中部分?jǐn)?shù)據(jù)如表：

反應(yīng)條件	反應(yīng)時(shí)間	CO2 （mol）	H2（mol）	CH3OH（mol）	H2O（mol）
恒溫恒容 （T1℃、2L）	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1

①達(dá)到平衡時(shí)，該反應(yīng)逆反應(yīng)平衡常數(shù)K=6.75平衡時(shí)H₂的 轉(zhuǎn)化率是50%
②在其它條件不變下，若30min時(shí)只改變溫度為T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，則T₁＜T₂（填“＞”、“＜”或“=”）．若30min時(shí)只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），則平衡不移動(dòng)（填“正向”、“逆向”或“不”）．
（4）用硫酸溶液作電解質(zhì)進(jìn)行電解，CO₂在電極上可轉(zhuǎn)化為甲烷，該電極的反應(yīng)式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484.0kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物放出的熱量，依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算（①×3+②×2+③×4）$\frac{1}{2}$得到熱化學(xué)方程式；平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
（2）①自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，結(jié)合反應(yīng)特征分析判斷需要的條件；
②平衡標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，個(gè)組分含量保持不變，原則是變量不變分析選項(xiàng)；
③圖象t₂起點(diǎn)，t₃ 到t₄終點(diǎn)，t₄以后符合變化趨勢(shì)即可，在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，壓強(qiáng)增大，二氧化碳濃度增大，平衡正向進(jìn)行，隨后減小，t₃時(shí)達(dá)到平衡，t₄時(shí)降低溫度，平衡正向進(jìn)行，二氧化碳減小，反應(yīng)速率減小，t₅時(shí)達(dá)到平衡；
（3）①恒溫恒容（T₁℃、2L）改變條件，使反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0  中的所有物質(zhì)都為氣態(tài)，反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算，
                            CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    1               3                0                     0
變化量（mol/L）   0.5            1.5               0.5                0.5
20min（mol/L）    0.5            1.5               0.5                0.5
30min（mol/L）     0.5          1.5                 0.5              0.5
20min反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$，逆反應(yīng)平衡常數(shù)=$\frac{1}{K}$，轉(zhuǎn)化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
②若30min時(shí)只改變溫度為T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，氫氣增加，說(shuō)明平衡逆向進(jìn)行，溫度升高T₁＜T₂，若30min時(shí)只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），不影響化學(xué)平衡；
（4）根據(jù)原電池原理，CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，注意電解質(zhì)溶液為酸性．

解答 解：（1）①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484.0kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物放出的熱量，依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算（①×3+②×2+③×4）$\frac{1}{2}$得到熱化學(xué)方程式：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-765 kJ/mol，平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）{c}^{\frac{3}{2}}（{O}_{2}）}$，
故答案為：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-765 kJ/mol；K=$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）{c}^{\frac{3}{2}}（{O}_{2}）}$；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l），熵變△S＜0，則反應(yīng)焓變△H＜0，低溫下滿足△H-T△S＜0
故答案為：低溫；
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l），
a、混合氣體的平均式量始終保持不變，能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a正確；   
b、向2L密閉容器中加入2mol CO₂、6mol H₂，按照1：3反應(yīng)，CO₂和H₂的轉(zhuǎn)化率始終相等，不能確定反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯(cuò)誤；
c、向2L密閉容器中加入2mol CO₂、6mol H₂，按照1：3反應(yīng)，所以過(guò)程中CO₂和H₂的體積分?jǐn)?shù)始終保持不變，故c錯(cuò)誤；          
d、反應(yīng)物是氣體，生成物是液體，混合氣體的密度保持不變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；
e、1mol CO₂生成的同時(shí)有3mol C-H鍵斷裂，不能說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相同，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故e錯(cuò)誤；
故答案為：ad；
③在t₂時(shí)將容器容積縮小一倍，壓強(qiáng)增大，二氧化碳濃度增大，平衡正向進(jìn)行，隨后減小，t₃時(shí)達(dá)到平衡，t₄時(shí)降低溫度，平衡正向進(jìn)行，二氧化碳減小，反應(yīng)速率減小，t₅時(shí)達(dá)到平衡；
圖象t₂起點(diǎn)二氧化碳濃度突然增大為1mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行減小，圖中t₃ 到t₄終點(diǎn)平衡線在0.5的線上，t₄t₄以后在0.5線以下，但不能到橫坐標(biāo)線上且有平衡線段，圖象為：；
故答案為：；
（3）①改變條件，使反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0  中的所有物質(zhì)都為氣態(tài)，反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算，
                          CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    1               3                0                  0
變化量（mol/L）   0.5            1.5               0.5               0.5
20min（mol/L）    0.5            1.5               0.5                0.5
30min（mol/L）     0.5          1.5               0.5                 0.5
20min反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$=$\frac{0.5×0.5}{0.5×1．{5}^{3}}$，
逆反應(yīng)平衡常數(shù)=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=6.75，
平衡時(shí)H₂的 轉(zhuǎn)化率是=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{1.5}{3}$×100%=50%，
故答案為：6.75；50%；
②若30min時(shí)只改變溫度為T₂℃，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量為3.2mol，氫氣增加，說(shuō)明平衡逆向進(jìn)行，溫度升高T₁＜T₂，若30min時(shí)只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），對(duì)正逆反應(yīng)的影響程度相同，平衡不變；
故答案為：＜；不；
（4）CO₂在正極發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，考慮電解質(zhì)為硫酸，所以甲烷中氫來(lái)源為硫酸電離的氫離子，根據(jù)化合價(jià)變化可知1mol二氧化碳變成甲烷得到8mol電子，故電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式書(shū)寫、平衡影響因素分析判斷、平衡計(jì)算的分析應(yīng)用、原電池電極反應(yīng)書(shū)寫、圖象變化和繪制方法等、注意恒溫恒容條件下的平衡影響因素分析判斷，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度中等．