Question

6．甲醇和乙烯都是重要的基礎(chǔ)化工原料，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理回答下列相關(guān)問(wèn)題．
（1）工業(yè)上可用合成氣制備甲醇．反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OH（g）某溫度下，在容積為2L的密閉容器中進(jìn)行該反應(yīng)，其相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1：

①?gòu)姆磻?yīng)開(kāi)始至平衡時(shí)，用CO表示化學(xué)反應(yīng)速率為0.03mol/（L．min），該溫度下的平衡常數(shù)為k=9.375．
②5min至10min時(shí)速率變化的原因可能是使用了催化劑或增大壓強(qiáng)．
③15min 時(shí)對(duì)反應(yīng)體系采取了一個(gè)措施，至20min時(shí)CO的物質(zhì)的量為0.5mol，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫(huà)出CO的變化曲線(xiàn)．
（2）一定條件下可通過(guò)如下方式合成乙烯：6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-40kJ•mol^-1，溫度對(duì)CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率和催化劑催化效率的影響如圖3所示：

①據(jù)圖分析下列說(shuō)法正確的是AB．
A．生成乙烯的速率：v（M）有可能小于v（N）
B．平衡常數(shù)：K_M＞K_N
C．催化劑會(huì)影響CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，則圖中M點(diǎn)時(shí)，乙烯的體積分?jǐn)?shù)為7.7%（保留兩位有效數(shù)字）．
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施有增大壓強(qiáng)、或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值．（任寫(xiě)兩條）
④電解法也可制取乙烯，裝置如圖4，其中電極a接電源的負(fù)極，該電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①10min時(shí)反應(yīng)到達(dá)平衡，平衡時(shí)CO為0.4mol、甲醇為0.6mol、氫氣為0.8mol，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO），根據(jù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
②5min時(shí)刻瞬間各組分的物質(zhì)的量未變，而后反應(yīng)速率加快，可能是使用了催化劑或增大壓強(qiáng)；
③15min時(shí)改變條件后，甲醇的物質(zhì)的量增大、氫氣物質(zhì)的量減小，改變條件平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO的物質(zhì)的量減小，至20min時(shí)氫氣物質(zhì)的量減小0.2mol，CO應(yīng)減小0.1mol，而20min時(shí)CO的物質(zhì)的量為0.5mol，CO物質(zhì)的量增大0.1mol，則3min時(shí)應(yīng)是加入CO，設(shè)加入的CO為xmol，則：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol；
（2）①A．生成乙烯的速率既受溫度影響，也受催化劑影響；
B．根據(jù)（1）中的計(jì)算可知，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)，若為放熱反應(yīng)，則升溫平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，反之增大；
C．催化劑不影響平衡移動(dòng)；
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，設(shè)H₂為3mol、CO₂為1mol，M點(diǎn)時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.5mol，計(jì)算出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，乙烯的體積分?jǐn)?shù)=$\frac{乙烯物質(zhì)的量}{混合氣體總物質(zhì)的量}$×100%；
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)改變條件使平衡正向移動(dòng)，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)，或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值，或?qū)�產(chǎn)物乙烯氣體分離出來(lái)等；
④由圖可知，a電極通入二氧化碳，生成乙烯，發(fā)生還原反應(yīng)，則a為陰極，二氧化碳獲得電子，與通過(guò)質(zhì)子交換膜的氫離子反應(yīng)生成乙烯與水．

解答 解：（1）①10min時(shí)反應(yīng)到達(dá)平衡，平衡時(shí)CO為0.4mol、甲醇為0.6mol、氫氣為0.8mol，
則v（CO）=$\frac{\frac{1mol-0.4mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L．min），平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（{\frac{0.8}{2}）}^{2}}$=9.375，
故答案為：0.03mol/（L．min）；k=9.375；
②5min時(shí)刻瞬間各組分的物質(zhì)的量未變，而后反應(yīng)速率加快，可能是使用了催化劑或增大壓強(qiáng)，
故答案為：使用了催化劑或增大壓強(qiáng)；
③15min時(shí)改變條件后，甲醇的物質(zhì)的量增大、氫氣物質(zhì)的量減小，改變條件平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO的物質(zhì)的量減小，至20min時(shí)氫氣物質(zhì)的量減小0.2mol，CO應(yīng)減小0.1mol，而20min時(shí)CO的物質(zhì)的量為0.5mol，CO物質(zhì)的量增大0.1mol，則3min時(shí)應(yīng)是加入CO，設(shè)加入的CO為xmol，則：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol，故CO的變化曲線(xiàn)為：
故答案為：；
（2）①A．生成乙烯的速率既受溫度影響，也受催化劑影響，M點(diǎn)催化劑催化效率高但溫度低，盡管N點(diǎn)催化劑催化效率低但溫度高，所以v（M）有可能小于v（N），故A正確；
B．由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向移動(dòng)，則平衡常數(shù)：K_M＞K_N，故B正確；
C．催化劑可以縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，但不影響平衡移動(dòng)，所以不會(huì)影響CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，故C錯(cuò)誤，
故選：AB；
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，設(shè)H₂為3mol、CO₂為1mol，M點(diǎn)時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.5mol，則：
            6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）
起始（mol）：3        1              0          0
變化（mol）：1.5      0.5            0.25       1
平衡（mol）：1.5      0.5            0.25       1
乙烯的體積分?jǐn)?shù)=$\frac{0.25mol}{（1.5+0.5+0.25+1）mol}$×100%=7.7%，
故答案為：7.7%；
③提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)改變條件使平衡正向移動(dòng)，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)，或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值，或?qū)�產(chǎn)物乙烯氣體分離出來(lái)等，
故答案為：增大壓強(qiáng)，或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值，或?qū)�產(chǎn)物乙烯氣體分離出來(lái)等；
④圖可知，a電極通入二氧化碳，生成乙烯，發(fā)生還原反應(yīng)，則a為陰極，連接電源的負(fù)極，二氧化碳獲得電子，與通過(guò)質(zhì)子交換膜的氫離子反應(yīng)生成乙烯與水，電極反應(yīng)式為：2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O，
故答案為：負(fù)極；2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)、原電池等，反應(yīng)熱計(jì)算、氧化還原反應(yīng)、化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、電解原理等，綜合性強(qiáng)，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與靈活運(yùn)用的能力，難度中等．