Question

7．隨著能源與環(huán)境問題越來越被人們關(guān)注，碳一化學（C₁化學）成為研究的熱點．“碳一化學”即以單質(zhì)碳及CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等含一個碳原子的物質(zhì)為原料合成工業(yè)產(chǎn)品的化學與工藝．
（1）將CO₂轉(zhuǎn)化成有機物可有效實現(xiàn)碳循環(huán)．CO₂轉(zhuǎn)化成有機物的例子很多，如：
a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆
b．CO₂=3H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化劑}$CH₃COOH．
d.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₂=CH₂+4H₂
在以上屬于人工轉(zhuǎn)化的反應中，原子利用率最高的是c（填序號）．
（2）CO₂制備甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，測得CO₂（g）和CH₃OH（g）濃度隨時間變化如圖1所示．
①該反應化學平衡常數(shù)K的表達式是$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②0～9min時間內(nèi)，該反應的平均反應速率v（H₂）=0.25mol•L^-1•min^-1．
③在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，此反應達平衡時放出的熱量（Q）可能是c（填字母序號）．
    a.0＜Q＜29.5kJ    b.29.5kJ＜Q＜36.75kJ    c.36.75kJ＜Q＜49kJ    d.49kJ＜Q＜98kJ
④在一定條件下，體系中CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率（α）與L和X的關(guān)系如圖2所示，L和X分別表示溫度或壓強．
Ⅰ．X表示的物理量是溫度．
Ⅱ．L₁與L₂的大小關(guān)系是L₁＞L₂，簡述理由：溫度一定時，增大壓強，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率增大．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀的新型燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．工業(yè)上可利用煤的氣化產(chǎn)物（水煤氣）合成二甲醚．工業(yè)上利用水煤氣合成二甲醚的三步反應如下：
    a．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.8kJ•mol^-1
    b．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-
    c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol
①對于反應b，在溫度和容積不變的條件下，能說明該反應已達到平衡狀態(tài)的是cd（填字母）．
    a．n（CH₃OH）=n（CH₃OCH₃）=n（H₂O）
    b．容器內(nèi)壓強保持不變
    c．H₂O（g）的濃度保持不變
    d．CH₃OH的消耗速率與CH₃OCH₃的消耗速率之比為2：1
②總反應：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.4kJ•mol^-1．
（4）以KOH溶液為電解質(zhì)，用二甲醚-空氣組成燃料，其中負極的電極反應式為CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．
（5）C₁化合物在治理汽車尾氣方面也大有可為，如CO、CH₄等在一定條件下均可以與氮氧化物生成無污染的物質(zhì)．寫出CO與氮氧化物（NO_x）在有催化劑的條件下反應的化學方程式2xCO+2NO_x $\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2xCO₂+N₂．

Answer 1

分析 （1）原子利用率最高，力求反應物分子中的所有原子全都轉(zhuǎn)化到目標產(chǎn)物中，理想狀態(tài)的原子利用率為100%；
（2）①平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
②圖象讀取甲醇生成濃度，結(jié)合反應速率概念計算甲醇的反應速率，依據(jù)反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比得到氫氣反應速率；
③反應焓變是指1mol二氧化碳和3mol氫氣完全反應放出的熱量為49KJ，反應是可逆反應，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反應放熱一定小于49KJ，結(jié)合圖象中二氧化碳轉(zhuǎn)化率計算此時達到平衡放出的熱量，在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，壓強增大，平衡正向進行，反應放出熱量會增多；
④反應是氣體體積減小的放熱反應，升溫平衡逆向進行，增大壓強平衡正向進行，據(jù)此分析圖象確定表示的物理量；
（3）①當化學反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理性不變，
a、是某一時刻的特殊值，不能說明反應已達到平衡；
b、任意時刻該反應的壓強都不變；不能說明反應已達到平衡；某一物質(zhì)的濃度保持不變說明達到平衡；
c、濃度不變時為平衡的標志；
d、消耗速率得出CH₃OH的正、逆反應速率相等，說明反應達到平衡；
②利用熱化學方程式和蓋斯定律計算所需熱化學方程式，熱化學方程式2a+b+c計算得到；
（4）根據(jù)燃料電池為燃料作負極失電子發(fā)生氧化反應，結(jié)合電解質(zhì)溶液書寫負極電極反應式；
（5）氮氧化物和一氧化碳反應生成氮氣和二氧化碳，根據(jù)化合價升降相等配平．

解答 解：（1）a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆，是自然界中實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化，原子利用率100%，但不是人工轉(zhuǎn)化，故a不符合；

b．CO₂=3H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH+H₂O，反應中原子利用率不是100%，故b不符合；
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化劑}$CH₃COOH，反應后原子利用率為100%，故c符合；
d.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₂=CH₂+4H₂反應中原子利用率不是100%，故d不符合
故答案為：c；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②圖象讀取甲醇生成濃度，結(jié)合反應速率概念計算甲醇的反應速率=$\frac{0.75mol/L}{9min}$，反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比，V（H₂）=3V（CH₃OH（g）=3×$\frac{0.75mol/L}{9min}$=0.25mol/L•min，
故答案為：0.25mol/L•min；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應達到平衡狀態(tài)消耗二氧化碳物質(zhì)的量濃度=1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，物質(zhì)的量為0.75mol，反應放出熱量=49KJ/mol×0.75mol=36.75KJ，反應焓變是指1mol二氧化碳和3mol氫氣完全反應放出的熱量為49KJ，反應是可逆反應，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反應放熱一定小于49KJ，在相同條件下，密閉容器的體積縮小至0.5L時，壓強增大，平衡正向進行，反應放出熱量會增多，大于36.75KJ，則36.75＜Q＜49，
故答案為：c；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應是氣體體積減小的放熱反應，
i．溫度升高，平衡逆向進行，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，所以X為溫度，L為壓強，
故答案為：溫度；
ii．溫度一定壓強增大平衡正向進行二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，所以L₁＞L₂，
故答案為：L₁＞L₂；溫度一定時，增大壓強，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率增大；
（3）①a．達到平衡時，物質(zhì)的量不變，不是相等，故a錯誤；
b．該反應是一個反應前后氣體體積不變的反應，無論該反應是否達到平衡狀態(tài)，壓強始終不變，所以不能根據(jù)平衡體系的總壓判斷是否達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．平衡時各物質(zhì)的濃度不變，故c正確；
d．CH₃OH的消耗速率與CH₃OCH₃的消耗速率之比為2：1，符合正逆反應速率相等，故d正確；
故選cd，
故答案為：cd；
②a、2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
b、2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
c、CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，通過a×2+b+c可得所求熱反應方程式，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-90.8kJ•mol^-1×2-23.5kJ•mol^-1-41.3kJ•mol^-1=-246.4kJ•mol^-1；
故答案為：-246.4kJ•mol^-1；
（4）燃料電池為燃料作負極失電子發(fā)生氧化反應，又電解質(zhì)溶液為KOH，所以負極電極反應式為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（5）氮氧化物和一氧化碳反應生成氮氣和二氧化碳，根據(jù)氮元素化合價變化，配平反應的方程式，反應的化學方程式為：2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2xCO₂+N₂，
故答案為：2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{\;}$2xCO₂+N₂；

點評 本題考查化學平衡圖象、化學平衡有關(guān)計算、化學平衡常數(shù)、影響化學平衡的因素、熱化學方程式書寫、電極反應式的書寫等，是對知識的綜合運用，難度中等．