Question

【題目】碳及其化合物在化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。

I．為解決大氣中CO2的含量增大的問題，某科學(xué)家提出如下構(gòu)想：把工廠排出的富含CO2的廢氣經(jīng)凈化吹入碳酸鉀溶液吸收，然后再把CO2從溶液中提取出來，在合成塔中經(jīng)化學(xué)反應(yīng)使廢氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂霞状�。部分技術(shù)流程如下:

⑴合成塔中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________；△H<0。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，從平衡移動(dòng)原理分析，低溫有利于提高原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率。而實(shí)際生產(chǎn)中采用300℃的溫度，除考慮溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響外，還主要考慮了_____。

(2)從合成塔分離出甲醇的原理與下列_______操作的原理比較相符(填字母）

A.過濾 B.分液 C.蒸餾 D.結(jié)晶

(3)如將CO2與H2以1:4的體積比混合，在適當(dāng)?shù)臈l件下可制得CH4。寫出CO2(g)與H2(g)反應(yīng)生CH4(g)與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式_____。

已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol

II．某興趣小組模擬工業(yè)合成甲醇的反應(yīng):CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在容積固定為2L的密閉容器中充入1mol CO和2mol H2，加入合適的催化劑（催化劑體積忽略不計(jì)）后開始反應(yīng)。測(cè)得容器內(nèi)的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化如下:

時(shí)間/min	0	5	10	15	20	25
壓強(qiáng)/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

(1)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，以CO表示反應(yīng)速率為________。

(2)下列描述能說明反應(yīng)達(dá)到平衡的是_______

A.裝置內(nèi)氣體顏色不再改變 B.容器內(nèi)氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變

C.容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)保持不變 D.容器內(nèi)氣體密度保持不變

(3)該溫度下平衡常數(shù)K=_______，若達(dá)到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時(shí)平衡常數(shù)K值將_________ (填“增大”、“減小”或“不變”)

(4)該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1mol CO和2mol H2，此時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率將_____(填“增大”、“減小”或“不變”)

Ⅲ. 人類活動(dòng)產(chǎn)生的CO2長(zhǎng)期積累，威脅到生態(tài)環(huán)境，其減排問題受到全世界關(guān)注。工業(yè)上常用高濃度的K2CO3溶液吸收CO2，得溶液X，再利用電解法使K2CO3溶液再生，其裝置示意圖如下：

①在陽極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)包括_________和H＋＋HCO===H2O＋CO2↑。

②簡(jiǎn)述CO32-在陰極區(qū)再生的原理：______。

Answer 1

【答案】CO2+3H2CH3OH+H2O 催化劑的催化活性 C CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol 0.0125mol·L-1·min-1 BC 4 不變 增大 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ HCO3-存在電離平衡：HCO3-H＋＋CO32-，陰極H＋放電濃度減小平衡右移，CO32-再生

【解析】

I．(1)根據(jù)工藝流程可知，合成塔內(nèi)反應(yīng)是氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇和水；工業(yè)生產(chǎn)條件選擇要考慮轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、對(duì)催化劑的影響、材料、成本等多方面綜合考慮；

(2)從合成塔出來的主要為甲醇與水的混合液，甲醇與水互溶，沸點(diǎn)相差大；

(3)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H1=-890.3kJ/mol，②2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)△H2=-571.6kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學(xué)方程式；

II．(1)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　　　　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　　　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　　 x

根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，從反應(yīng)開始到20min時(shí)，以CO表示的平均反應(yīng)速率v=；

(2)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，平衡時(shí)各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，以及其它物理量的變化情況，可由此進(jìn)行判斷；

(3)平衡常數(shù)是利用平衡狀態(tài)下生成物濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物濃度的冪次方乘積得到；平衡常數(shù)隨溫度變化；

(4)該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1mol CO 2mol H2，相當(dāng)于增大平衡壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向進(jìn)行；

III．①陽極上氫氧根離子放電生成氧氣；

②碳酸氫根離子存在電離平衡、氫氧根離子和碳酸氫根離子反應(yīng)生成碳酸根離子。

I．(1)合成塔反應(yīng)是二氧化碳和氫氣在一定條件下可生成甲醇和水，其方程式為CO2+3H2CH3OH+H2O，溫度影響催化劑的活性，除考慮溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響外，還主要考慮催化劑的催化活性；

(2)從合成塔出來的主要為甲醇與水的混合液，甲醇與水互溶，沸點(diǎn)相差大，可用蒸餾的方法分離，故答案為C；

(3)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H1=-890.3kJ/mol，②2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)△H2=-571.6kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律②×2-①得CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(l)△H=(-571.6kJ/mol)×2-(-890.3kJ/mol)=-252.9kJ/mol，則CO2(g)與H2(g)反應(yīng)生CH4(g)與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol；

II．(1)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　　　　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　　　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　　 x

根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，從反應(yīng)開始到20min時(shí)，CO表示的平均反應(yīng)速率v===0.0125 mol·L-1·min-1；

(2)反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析判斷；

A．裝置內(nèi)氣體為無色，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；

B．容器內(nèi)氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量數(shù)值上等于氣體的平均摩爾質(zhì)量等于總質(zhì)量除以總物質(zhì)的量，質(zhì)量是守恒的保持不變，但是n變化，當(dāng)氣體的平均摩爾質(zhì)量不變了，證明達(dá)到平衡，故B正確；

C．反應(yīng)是前后氣體體積變化的反應(yīng)，容器中氣體的壓強(qiáng)保持不變，證明達(dá)到了平衡，故C正確；

D．該反應(yīng)在恒容條件下進(jìn)行，反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒，所以反應(yīng)過程中密度始終保持不變，所以密度不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；

故答案為BC；

(3)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　 x

根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，K==4，平衡常數(shù)隋文帝變化，若達(dá)到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時(shí)平衡常數(shù)K值將不變；

(4)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1mol CO、2molH2，相當(dāng)于增大平衡壓強(qiáng)，平衡正向進(jìn)行，CO的轉(zhuǎn)化率將增大。

III．①陽極上氫氧根離子放電生成氧氣和水，電極反應(yīng)式為4OH--4e-═2H2O+O2↑；

②HCO3-存在電離平衡：HCO3-H++CO32-，陰極H+放電濃度減小平衡右移，CO32-再生；陰極H+放電OH-濃度增大，OH-與HCO3-反應(yīng)生成CO32-，CO32-再生。