Question

6．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國(guó)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向，CCUS或許發(fā)展成一項(xiàng)重要的新興產(chǎn)業(yè)．利用廢氣中的 CO₂為原料可制取甲醇，在恒容密閉容器中，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
（1）對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分B平衡時(shí)的分壓 p（B）代替物質(zhì)的量濃度 c（B）也可表示平衡常數(shù)，記作 KP，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K_P=$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$．
（2）若將等物質(zhì)的量的CO₂和H₂混合反應(yīng)氣充入恒溫恒容密閉容器中，一定條件下反應(yīng)達(dá)到平衡，下列事實(shí)能說(shuō)明反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是BD．
A．容器內(nèi)氣體密度保持不變
B．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO₂
C．該反應(yīng)的平衡常數(shù)保持不變
D．CO₂ 體積分?jǐn)?shù)保持不變
（3）其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ） 的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度變化如圖1．
①a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)；
②c點(diǎn)CO₂的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，原因是b、c點(diǎn)都未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較大．
（4）科學(xué)家用氮化鎵材料與銅組裝成圖2的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置成功地實(shí)現(xiàn)了以 CO₂和 H₂O合成CH₄．
①該裝置中銅電極是正 極，寫(xiě)出該電極表面的電極反 應(yīng)式：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸（選填“鹽酸”或“硫酸”）．

Answer 1

分析 （1）對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分B平衡時(shí)的分壓p（B）代替物質(zhì)的量濃度c（B）也可表示平衡常數(shù)等于生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡分壓冪次方乘積；
（2）根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，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，解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，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(shuō)明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（3）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡；
②b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（4）①由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷；
②根據(jù)酸的揮發(fā)性分析．

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分B平衡時(shí)的分壓p（B）代替物質(zhì)的量濃度c（B）也可表示平衡常數(shù)等于生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡分壓冪次方乘積，平衡常數(shù)為：K_P=$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
故答案為：$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
（2）A、反應(yīng)前后質(zhì)量和體積一直不變，所以密度一直不變，不能判斷平衡，故A錯(cuò)誤；
B、反應(yīng)前后質(zhì)量不變，但物質(zhì)的量在變，所以平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)，故B正確；
C、平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度一定，平衡常數(shù)不變，所以平衡常數(shù)保持不變不能判斷平衡，故C錯(cuò)誤；
D、CO₂ 體積分?jǐn)?shù)保持不變，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，則反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)，故D正確；
故選BD；
（3）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達(dá)平衡時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率相同，故a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，故答案為：不是；
②b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度比b點(diǎn)高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
故答案為：b、c點(diǎn)都未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較大；
（4）①由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷，則Cu為正極，電極上的電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，故答案為：正；CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②可向裝置中加入少量的酸作電解質(zhì)，由于鹽酸易揮發(fā)，生成的甲烷中會(huì)混有HCl氣體，所以選用硫酸，不用鹽酸，故答案為：硫酸．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了平衡常數(shù)的表達(dá)式、平衡狀態(tài)的判斷、電化學(xué)等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，題目難度中等．