Question

研究表明豐富的CO₂完全可以作為新碳源，解決當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的碳源（石油和天然氣）到本世紀(jì)中
葉將枯竭的危機(jī)，同時(shí)又可緩解由CO₂累積所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)CO₂的良性循環(huán)．

（1）目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂和H₂在230℃催化劑條件下轉(zhuǎn)化生成甲醇蒸汽和水蒸氣．如圖1表示恒壓容器中0.5mol CO₂和1.5mol H₂轉(zhuǎn)化率達(dá)80%時(shí)的能量變化示意圖．寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：

 

．
（2）工業(yè)上可用CO₂與H₂反應(yīng)生成甲醇，在T℃下，將1mol CO₂和2mol H₂充入5L恒容密閉容器中發(fā)生反應(yīng)為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），測得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化情況如圖2中曲線I所示．
①按曲線I計(jì)算反應(yīng)從0到4min時(shí)，v（H₂）=

 

．
②在T℃時(shí)，若僅改變某一外界條件時(shí)，測得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化情況如圖中曲線Ⅱ所示，則改變的外界條件為

 

．反應(yīng)接曲線Ⅱ進(jìn)行，計(jì)算達(dá)到平衡時(shí)容器中c（CO₂）=

 

．
③判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡的依據(jù)為

 

（填正確選項(xiàng)的字母）
A．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不隨時(shí)間改變
B．3v（H₂）_正=v（CH₃OH）_逆
C．混合氣體的壓強(qiáng)不隨時(shí)間改變
D．單位時(shí)間內(nèi)生成CH₃OH和H₂O的物質(zhì)的量相同
（3）以二氧化鈦表面覆蓋Cu₂Al₂O₄為催化劑，可以將CO₂和CH₄直接轉(zhuǎn)化成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖3所示．250～300℃時(shí)，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是

 

．
②將Cu₂Al₂O₄溶解在稀硝酸中的離子方程式為

 

．
（4）Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂．
①如果尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，下列建議合理的是

 

．
a．可在堿性氧化物中尋找
b．可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找
c．可在具有強(qiáng)氧化性的物質(zhì)中尋找
②Li₂O吸收CO₂后，產(chǎn)物用于合成Li₄SiO₄，Li₄SiO₄用于吸收、釋放CO₂．原理是：在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃：平衡后加熱至700℃，反應(yīng)逆向進(jìn)行，放出CO₂，Li₄SiO₄再生，說明該原理的化學(xué)方程式是

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,熱化學(xué)方程式,化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

專題：

分析：（1）發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），根據(jù)圖1可知，0.5mol CO₂和1.5mol H₂轉(zhuǎn)化率達(dá)80%時(shí)放熱23kJ-3.4kJ=19.6kJ，計(jì)算1mol二氧化碳發(fā)生放出的熱量確定△H，書寫該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
（2）①根據(jù)v=

△n V

△t

計(jì)算v（H₂）；
②溫度一定，曲線II到達(dá)平衡時(shí)的時(shí)間縮短，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量減小，說明改變條件增大反應(yīng)速率，且平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，由于容器為恒容條件下，應(yīng)是增大二氧化碳的濃度；
I與II化學(xué)平衡常數(shù)相同，平衡常數(shù)K=

n(CH3OH) V × n(H2O) V

n(CO2) V ×( n(H2) V )3

=

n(CH3OH)?n(H2O)

n(CO2)?[n(H2)]3

×V2，由于體積不變，利用

n(CH3OH)?n(H2O)

n(CO2)?[n(H3)]3

相等計(jì)算平衡時(shí)二氧化碳物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算曲線II平衡時(shí)c（CO₂）；
③當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，注意選擇判斷的物理量，應(yīng)隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（3）①由圖可知，溫度超過250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低；
②先將Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O?Al₂O₃，再根據(jù)氧化物與酸反應(yīng)生成離子方程式，注意一價(jià)銅具有還原性，與硝酸反應(yīng)氧化還原反應(yīng)有NO生成；
（4）①二氧化碳為酸性氣體，Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂與氧化性無關(guān)；
②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃，反應(yīng)物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據(jù)質(zhì)量守恒可知產(chǎn)物還有Li₂SiO₃．

解答： 解：（1）根據(jù)圖1可知，0.5mol CO₂和1.5mol H₂轉(zhuǎn)化率達(dá)80%時(shí)放熱23kJ-3.4kJ=19.6kJ，1mol二氧化碳反應(yīng)放出的熱量為

1mol

0.5mol×80%

×19.6kJ=49kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ?mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49 kJ?mol^-1；
（2）①由圖可知，平衡時(shí)參加反應(yīng)氫氣為2mol-1mol=1mol，故v（H₂）=

1mol 5L

4min

=0.05mol/（L?min），
故答案為：0.05mol/（L?min）；
②溫度一定，曲線II到達(dá)平衡時(shí)的時(shí)間縮短，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量減小，說明改變條件增大反應(yīng)速率，且平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，由于容器為恒容條件下，應(yīng)是增大二氧化碳的濃度；
平衡常數(shù)K=

n(CH3OH) V × n(H2O) V

n(CO2) V ×( n(H2) V )3

=

n(CH3OH)?n(H2O)

n(CO2)?[n(H2)]3

×V2，由于體積不變，利用

n(CH3OH)?n(H2O)

n(CO2)?[n(H3)]3

相等，
對應(yīng)曲線I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol）：1        2        0         0
轉(zhuǎn)化（mol）：

1

3

        1       

1

3

       

1

3

平衡（mol）：

2

3

        1       

1

3

       

1

3

對應(yīng)曲線II：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol）：2        0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：2-0.5      0.5      0.5
平衡（mol）：0.5      0.5      0.5
則

0.5×0.5

n(CO2)×0．53

=

1 3 × 1 3

2 3 ×13

，解得n（CO₂）=12，故平衡時(shí)c（CO₂）=

12mol

5L

=2.4mol/L，
故答案為：增大二氧化碳的濃度；2.4mol/L；
③A．隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體總物質(zhì)的量減小，總質(zhì)量不變，故隨反應(yīng)進(jìn)行平均相對分子質(zhì)量減小，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不隨時(shí)間改變，說明反應(yīng)到達(dá)平衡，故A正確；
B．當(dāng)v（H₂）_正：v（CH₃OH）_逆=3：1時(shí)，反應(yīng)到達(dá)平衡，由3v（H₂）_正=v（CH₃OH）_逆，可得v（H₂）_正：v（CH₃OH）_逆=1：3，說明逆反應(yīng)速率較大，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，故B錯(cuò)誤；
C．容器體積不變，隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體總物質(zhì)的量減小，混合氣體的壓強(qiáng)減小，但混合氣體壓強(qiáng)不隨時(shí)間改變，說明反應(yīng)到達(dá)平衡，故C正確；
D．單位時(shí)間內(nèi)生成CH₃OH和H₂O的物質(zhì)的量相同，均表示正反應(yīng)速率，反應(yīng)始終按1：1進(jìn)行，不能說明到達(dá)平衡，故D錯(cuò)誤，
故答案為：AC；
（3）①溫度超過250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案為：溫度超過250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低；
②Cu₂Al₂O₄拆成氧化物的形式：Cu₂O?Al₂O₃，一價(jià)銅具有還原性，與硝酸反應(yīng)氧化還原反應(yīng)有NO生成，故與酸反應(yīng)生成離子方程式：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O，
故答案為：3Cu₂Al₂O₄+32H⁺+2NO₃^-=6Cu²⁺+6Al³⁺+2NO↑+16H₂O；
（4）①a．Li₂O、Na₂O、MgO均屬于堿性氧化物，均能吸收酸性氧化物CO₂，可在堿性氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，故a正確；
b．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，鈉、鎂為ⅠA、ⅡA族元素，所以可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中尋找吸收CO₂的其他物質(zhì)，故b正確；
c．Li₂O、Na₂O、MgO均能吸收CO₂，但它們都沒有強(qiáng)氧化性，且吸收二氧化碳與氧化還原無關(guān)，故c錯(cuò)誤；
故答案為：ab；
②在500℃，CO₂與Li₄SiO₄接觸后生成Li₂CO₃，反應(yīng)物為CO₂與Li₄SiO₄，生成物有Li₂CO₃，根據(jù)質(zhì)量守恒可知產(chǎn)物還有Li₂SiO₃，所以化學(xué)方程式為：CO₂+Li₄SiO₄Li₂CO₃+Li₂SiO₃，
故答案為：CO₂+Li₄SiO₄Li₂CO₃+Li₂SiO₃．

點(diǎn)評(píng)：本題屬于拼合型題目，涉及熱化學(xué)方程式書寫、反應(yīng)速率計(jì)算、化學(xué)平衡常數(shù)應(yīng)用、平衡狀態(tài)判斷、信息題等，側(cè)重考查學(xué)生對知識(shí)的遷移應(yīng)用，題目計(jì)算量大，對學(xué)生的心理素質(zhì)有較高的要求，（2）中注意利用平衡常數(shù)計(jì)算，難度較大．