Question

8．二氧化碳是引起“溫室效應”的主要物質(zhì)．高效利用能源，能夠減少二氧化碳的排放．
I．在一定溫度下的2L固定容積的密閉容器中，通入2mol CO₂和3mol H₂，發(fā)生的反應為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），測得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．
①不能說明該反應已達平衡狀態(tài)的是D．（填編號）
A．CO₂的體積分數(shù)在混合氣體中保持不變
B．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不隨時間的變化而變化
C．單位時間內(nèi)每消耗1.2mol H₂，同時消耗0.4mol H₂O
D．反應中H₂O與CH₃OH的物質(zhì)的量濃度之比為1：1，且保持不變
②從0min到10min，v（H₂）=0.075 mol•L^-1•min^-1．
③下列措施中不能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是C（填編號）．
A．降低溫度                       B．將H₂O（g）從體系中分離
C．恒溫恒容下充入He（g）            D．恒溫恒容再充入2mol CO₂和3mol H₂
④計算該溫度下此反應的平衡常數(shù)K=0.20 L²/mol²_（保留兩位有效數(shù)字）．
II．為進一步探究CO₂與NaCN溶液反應的產(chǎn)物，查得數(shù)據(jù)如下：

化學式	電離平衡常數(shù)（25℃）
HCN	K=4.9×10-10
H2CO3	K1=4.3×10-7、K2=5.6×10-11

①25℃時，測得HCN和NaCN的混合溶液的pH=11，則c（HCN）/c（CN^-）=$\frac{1}{49}$（可用分數(shù)表示）．
②向NaCN溶液中通入少量CO₂，則發(fā)生反應的離子方程式為：CN^-+CO₂+H₂O=HCN+HCO₃^-．
III．（1）有一種利用CO₂生產(chǎn)甲醇燃料的方法：
已知：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-a kJ•mol^-1；
CH₃OH（g）═CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-c kJ•mol^-1；
則表示CH₃OH（l） 燃燒熱的熱化學方程式為CH₃OH（l）+3/2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c-a-b） kJ•mol^-1．
（2）某甲醇燃料電池原理如圖2所示．
①M區(qū)發(fā)生反應的電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
②用上述電池做電源，用圖3裝置電解飽和食鹽水（電極均為惰性電極），假設溶液體積為300mL（體積變化忽略），當溶液的pH值變?yōu)?3時（在常溫下測定），理論上消耗甲醇的質(zhì)量為0.16g．

Answer 1

分析 I．①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1 ，反應時氣體體積減小的放熱反應，反應達到平衡的標志是正逆反應速率相同，各成分含量保持不變，分析選項；
②依據(jù)圖象分析計算二氧化碳的反應速率，結(jié)合反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比計算氫氣的反應速率；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），反應是氣體體積減小的放熱反應；結(jié)合平衡移動方向，分析判斷能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大選項；
④計算平衡濃度計算反應平衡常數(shù)，平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積；
Ⅱ．①25℃時，測得HCN和NaCN的混合溶液的pH=11，$\frac{c（HCN）}{c（C{N}^{-}）}$=$\frac{c（HCN）}{c（C{N}^{-}）}$×$\frac{c（{H}^{+}）}{c（{H}^{+}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）}{Ka}$；
②碳酸的一級電離常數(shù)大于HCN的，二級電離常數(shù)小于HCN的，故碳酸的酸性強于HCN，為碳酸氫根的酸性溶于HCN，故向NaCN溶液中通入少量CO₂，反應生成HCN與NaHCO₃；
Ⅲ．（1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）①依據(jù)原電池裝置圖象分析，氫離子移向正極，所以M為原電池負極，N為正極，負極是甲醇燃料失電子在酸性介質(zhì)中生成二氧化碳，據(jù)此書寫電極反應；
②電解飽和食鹽水生成氯氣、氫氣和氫氧化鈉，結(jié)合化學方程式書寫離子方程式；依據(jù)電子守恒計算消耗甲醇質(zhì)量．

解答 解：Ⅰ．①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），反應是氣體體積減小的放熱反應；
A．CO₂的體積分數(shù)在混合氣體中保持不變，是平衡標志，故A不符合；
B．平衡氣體質(zhì)量不變，反應前后氣體物質(zhì)的量減小，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不隨時間的變化而變化，說明反應達到平衡，故B不符合；
C．單位時問內(nèi)每消耗1.2mol H₂，同時消耗0.4mol H₂O，能表示反應正逆反應速率相同，能說明反應達到平衡，故C不符合；
D．化學方程式定量關系可知，反應過程中和平衡狀態(tài)下，反應中H₂O與CH₃OH的物質(zhì)的量濃度之比為1：1，且保持不變，不能說明反應達到平衡，故D符合；
故答案為：D；
②圖象分析可知二氧化碳的反應速率V（CO₂）=$\frac{1.00mol/L-0.75mol/L}{10min}$=0.025mol/L•min；
反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比，V（H₂）=3V（CO₂）=3×0.025mol/L•min=0.075 mol•L^-1•min^-1；
故答案為：0.075 mol•L^-1•min^-1；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），反應是氣體體積減小的放熱反應，
A．反應是放熱反應，降低溫度平衡正向進行，使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故A不符合；
B．將H₂O（g）從體系中分離，平衡正向進行，使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故B不符合；
C．恒溫恒容下充入He（g），總壓增大，分壓不變，平衡不動，使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不變，故C符合；
D．恒溫恒容再充入2mol CO₂和3mol H₂ ，增大壓強平衡正向進行，使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故D不符合；
故答案為：C；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1              1.5                 0                0
變化量（mol/L） 0.25        0.75                0.25           0.25
平衡量（mol/L） 0.75        0.75                0.25             0.25
平衡常數(shù)K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.7{5}^{3}}$≈0.20 L²/mol²；
故答案為：0.20 L²/mol²；
Ⅱ．①25℃時，測得HCN和NaCN的混合溶液的pH=11，$\frac{c（HCN）}{c（C{N}^{-}）}$=$\frac{c（HCN）}{c（C{N}^{-}）}$×$\frac{c（{H}^{+}）}{c（{H}^{+}）}$=$\frac{c（{H}^{+}）}{Ka}$=$\frac{1{0}^{-11}}{4.9×1{0}^{-10}}$=$\frac{1}{49}$，
故答案為：$\frac{1}{49}$；
②碳酸的一級電離常數(shù)大于HCN的，二級電離常數(shù)小于HCN的，故碳酸的酸性強于HCN，為碳酸氫根的酸性溶于HCN，故向NaCN溶液中通入少量CO₂，反應生成HCN與NaHCO₃，該反應離子方程式為：CN^-+CO₂+H₂O=HCN+HCO₃^-，
故答案為：CN^-+CO₂+H₂O=HCN+HCO₃^-；
Ⅲ．（1）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
②CH₃OH（g）═CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-c kJ•mol^-1；
依據(jù)蓋斯定律計算③×$\frac{3}{2}$-①-②得到表示CH₃OH（l）燃燒熱的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c-a-b）kJ•mol^-1；
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c-a-b）kJ•mol^-1；
（2）①依據(jù)原電池裝置圖象分析，氫離子移向正極，所以M為原電池負極，N為正極，負極是甲醇燃料失電子在酸性介質(zhì)中生成二氧化碳，電極反應為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②電解飽和食鹽水生成氯氣、氫氣和氫氧化鈉，結(jié)合化學方程式書寫離子方程式為：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2 OH^-；
溶液體積為300mL，當溶液的pH值為13時，溶液中氫氧根離子濃度c（OH^-）=0.1mol/L，生成氫氧根離子物質(zhì)的量=消耗氫離子物質(zhì)的量=0.1mol/L×0.3L=0.03mol，依據(jù)電極反應和電子守恒計算，CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，2H⁺+2e^-=H₂↑，CH₃OH～6H⁺，甲醇物質(zhì)的量=0.005mol，質(zhì)量=0.005mol×32g/mol=0.16g；
故答案為：0.16．

點評 本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律計算分析化學平衡影響因素，平衡移動原理的分析判斷，注意圖象分析應用，原電池、電解池原理的分析判斷，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．