Question

CO₂作為未來(lái)碳源，既可彌補(bǔ)因石油、天然氣等大量消耗引起的“碳源危機(jī)”，又可有效地解決溫室效應(yīng)．目前，人們利用光能和催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）將所得CH₄與H₂O（g）通入聚焦太陽(yáng)能反應(yīng)器，發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ?mol^-1．將等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O（g）充入l L恒容密閉容器，某溫度下反應(yīng)5min后達(dá)到平衡，此時(shí)測(cè)得CO的物質(zhì)的量為0.10mol，則5min內(nèi)CH₄的平均反應(yīng)速率為

 

．平衡后可以采取下列措施能使n（CO）：n（CH₄）增大．
A．加熱升高溫度             
B．恒溫恒容下充入氦氣
C．恒溫下增大容器體積             
D．恒溫恒容下再充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O
（2）工業(yè)上可以利用CO為原料制取CH₃OH．
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ?mol^-1
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
①試寫出由CO和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式

 

．
②該反應(yīng)的△S

 

0（填“＞”或“＜”或“=”），在

 

情況下有利于該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行．
（3）某科研人員為研究H₂和CO合成CH₃OH的最佳起始組成比n（H₂）：n（CO），在l L恒容密閉容器中通入H₂與CO的混合氣（CO的投入量均為1mol），分別在230°C、250°C和270°C進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果如圖1，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的曲線是

 

（填字母）；理由是

 

．列式計(jì)算270℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K：

 

．

（4）以燃料電池為工作原理測(cè)定CO的濃度，其裝置如圖2所示，該電池中電解質(zhì)為氧化釔-氧化鈉，其中O^2-可以在固體介質(zhì)NASICON中自由移動(dòng)．則負(fù)極的反應(yīng)式

 

．關(guān)于該電池的下列說(shuō)法，正確的是

 

A．工作時(shí)電極b作正極，O^2-通過(guò)固體介質(zhì)NASICON由電極b流向電極a
B．工作時(shí)電流由電極a通過(guò)傳感器流向電極b
C．傳感器中通過(guò)的電流越大，尾氣中CO的含量越高．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,原電池和電解池的工作原理,化學(xué)平衡的計(jì)算,難溶電解質(zhì)的溶解平衡及沉淀轉(zhuǎn)化的本質(zhì)

專題：

分析：（1）化學(xué)反應(yīng)速率v=

△c

△t

來(lái)計(jì)算反應(yīng)速率，根據(jù)影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素來(lái)回答判斷；
（2）根據(jù)蓋斯定律計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變；
（3）依據(jù)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越��；根據(jù)K的表達(dá)式代入數(shù)據(jù)計(jì)算；
（4）該裝置是原電池，負(fù)極上一氧化碳失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CO-2e^-+O^2-═CO₂，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，原電池放電時(shí)電子從負(fù)極流向正極，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，一氧化碳的含量越大，原電池放電時(shí)產(chǎn)生的電流越大．

解答： 解：（1）5min內(nèi)CO的平均化學(xué)反應(yīng)速率v=

△c

△t

=

0.1mol 1L

5min

=0.02mol/（L?min），甲烷表示的平均反應(yīng)速率和一氧化氮的是相等的，即為0.02mol/（L?min），根據(jù)反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ?mol^-1，
A．加熱升高溫度，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，所以一氧化碳濃度增加，甲烷濃度減小，所以比值會(huì)增大，故A正確；
B．恒溫恒容下充入氦氣，各組分的濃度不變，所以平衡不移動(dòng)，比值不變，故B錯(cuò)誤；
C．恒溫下增大容器體積則壓強(qiáng)減小，化學(xué)平衡正向移動(dòng)，所以一氧化碳濃度增加，甲烷濃度減小，所以比值會(huì)增大，故C正確；
D．恒溫恒容下再充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向動(dòng)，所以一氧化碳濃度減小，甲烷濃度增加，所以比值會(huì)減小，故D錯(cuò)誤；故選AC，
故答案為：0.02mol/（L?min）；AC；
（2）①已知①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ?mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ?mol^-1
則①-②得CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H=（-49.5kJ?mol^-1 ）-41.3kJ/mol）=-90.8kJ?mol^-1，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H=-90.8 kJ?mol^-1；
②該反應(yīng)是氣體減少的反應(yīng)，所以△S＜0，根據(jù)△G=△H-T△S＜0自發(fā)，△H＜0，△S＜0，所以在低溫下有利于該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；故答案為；＜；在低溫下；
（3）工業(yè)上用反應(yīng)④低壓合成甲醇，在230℃～270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖．合成甲醇是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越大，結(jié)合圖象可知，230℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的曲線是X；270℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

c(CH 3OH)

c(CO)?c 2(H 2)

=

0.5

0.5×1 2

=1，
故答案為：X，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越高；K=

c(CH 3OH)

c(CO)?c 2(H 2)

=

0.5

0.5×1 2

=1；
（4）該裝置是原電池，負(fù)極上一氧化碳失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CO-2e^-+O^2-═CO₂，
A．工作時(shí)電極b通入空氣，b作正極，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，O^2-由電極b流向電極a，故A正確；
B．原電池放電時(shí)電子從負(fù)極流向正極，故電流由電極b通過(guò)傳感器流向電極a，故B錯(cuò)誤；
C．一氧化碳的含量越大，原電池放電時(shí)產(chǎn)生的電流越大，故C正確，
故答案為：CO-2e^-+O^2-═CO₂；AC．

點(diǎn)評(píng)：本題涉及化學(xué)平衡的影響因素以及熱化學(xué)方程式的書寫和焓變的計(jì)算知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，難度大．