Question

19．研究表明，在CuZnO催化劑存在下，CO₂和H₂可發(fā)生兩個平行反應(yīng)，分別生成CH₃OH和CO，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁   平衡常數(shù)K₁  反應(yīng)Ⅰ
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ•mol^-8平衡常數(shù)K₂  反應(yīng)Ⅱ
某實(shí)驗(yàn)室控制CO₂和H₂初始投料比為1：2.2，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

T（K）	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率（%）	甲醇選擇性（%）
543	Cat.1	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7
553	Cat.1	15.3	39.1
553	Cat.2	12.0	71.6

[備注]Cat.1：Cu/ZnO納米棒；Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性；轉(zhuǎn)化的CO₂中生成甲醇的百分比
（1）合成的甲醇可用于燃料電池的燃料，若電解質(zhì)為稀燒堿溶液時甲醇燃料電池的正極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；研究證實(shí)，CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，該電極反應(yīng)式是CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O．
（2）從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出，提高CO₂轉(zhuǎn)化成CH₃OH的選擇性的方法有使用Cat2催化劑（或理想催化劑）；溫度為543K（或降低溫度）．
（3）反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常數(shù)K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$（用K₁和K₂表示）．
（4）在恒壓密閉容器中，由CO₂和H₂進(jìn)行反應(yīng)I合成甲醇，在其它條件不變的情況下，探究溫度對化學(xué)平衡的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖．
①△H₁＜0（填“＞”、“＜”或“=”）
②有利于提高CO₂平衡轉(zhuǎn)化率的措施有A（填標(biāo)號）．
A．降低反應(yīng)溫度
B．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度
C．增大CO₂和H₂的初始投料比
D．混合氣體中摻入一定量惰性氣體（不參與反應(yīng)）
（5）在T₁溫度時，將1.00molCO₂和3.00molH₂充入體積為1.00L的恒容密閉容器中，容器起始壓強(qiáng)為P₀，僅進(jìn)行反應(yīng)I．
①充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則容器的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為$\frac{2-a}{2}$（用a表示）．
②若經(jīng)過3h反應(yīng)達(dá)到平衡，平衡后，混合氣體物質(zhì)的量為3.00mol，則該過程中H₂的平均反應(yīng)速率為0.5mol•L^-1•h^-1（保留三位有效數(shù)字）；該溫度下反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K為0.148（L•mol^-1）²（保留三位有效數(shù)字）；平衡常數(shù)K可用反應(yīng)體系中氣體物質(zhì)分壓表示，即K表達(dá)式中用平衡分壓代替平衡濃度，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)．寫出上述反應(yīng)壓力平衡常數(shù)K_P為$\frac{64}{27{P}_{0}^{2}}$（用P₀表示，并化簡）．

Answer 1

分析 （1）正極是氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，正極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；研究證實(shí)，CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，碳的化合降低發(fā)生還原反應(yīng)，所以生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，該電極反應(yīng)式是CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O；
（2）圖中T₂＞T₁，溫度越高水蒸氣的含量越少，平衡逆向移動，所以正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，由圖可知提高CO₂轉(zhuǎn)化成CH₃OH的選擇性，應(yīng)使平衡向正向移動，可降低溫度，在Cat.2催化劑的條件下選擇性最高；
（3）由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁   平衡常數(shù)K₁  反應(yīng)Ⅰ；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ•mol^-8平衡常數(shù)K₂  反應(yīng)Ⅱ；
所以根據(jù)蓋斯定律CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=△H₁-△H₂，K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$；
（4）①圖中T₂＞T₁，溫度越高水蒸氣的含量越少，平衡逆向移動，所以正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以△H₁＜0；
②A．降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率增大；
B．在恒壓密閉容器中，投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率不變；
C．增大CO₂和H₂的初始投料比，二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低，而氫的轉(zhuǎn)化率增大；
D．混合氣體中摻入一定量惰性氣體，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡逆向移動，二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低；
（5）在T₁溫度時，將1.00molCO₂和3.00molH₂充入體積為1.00L的恒容密閉容器中，容器起始壓強(qiáng)為P₀，僅進(jìn)行反應(yīng)I．
①容器的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為等于物質(zhì)的量之比；
②v=$\frac{△c}{△t}$，求H₂的平均反應(yīng)速率；該溫度下反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{平衡時生成物的濃度冪之積}{平衡時反應(yīng)物的濃度冪之積}$；K_p=$\frac{P（{H}_{2}O）•P（C{H}_{3}OH）}{P（C{O}_{2}）•{P}^{3}（{H}_{2}）}$．

解答 解：（1）正極是氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，正極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；研究證實(shí)，CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，碳的化合降低發(fā)生還原反應(yīng)，所以生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，該電極反應(yīng)式是CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O，故答案為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；陰；   CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O；
（2）圖中T₂＞T₁，溫度越高水蒸氣的含量越少，平衡逆向移動，所以正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，由圖可知提高CO₂轉(zhuǎn)化成CH₃OH的選擇性，應(yīng)使平衡向正向移動，可降低溫度，在Cat.2催化劑的條件下選擇性最高，故答案為：使用Cat2催化劑（或理想催化劑）；溫度為543K（或降低溫度）； 
（3）由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁   平衡常數(shù)K₁  反應(yīng)Ⅰ；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ•mol^-8平衡常數(shù)K₂  反應(yīng)Ⅱ；
所以根據(jù)蓋斯定律CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=△H₁-△H₂，K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$，故答案為：$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$；
（4）①圖中T₂＞T₁，溫度越高水蒸氣的含量越少，平衡逆向移動，所以正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以△H₁＜0，故答案為：＜；
②A．降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率增大，故正確；
B．在恒壓密閉容器中，投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，CO₂平衡轉(zhuǎn)化率不變，故錯誤；
C．增大CO₂和H₂的初始投料比，二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低，而氫的轉(zhuǎn)化率增大，故錯誤；
D．混合氣體中摻入一定量惰性氣體，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡逆向移動，二氧化碳轉(zhuǎn)化率降低，故錯誤；
故選A；
（5）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
        c（初）：1            3                  0                   0
        c（變）：a            3a                  a                   a  
         c（平）：1-a         3-3a                a                   a
所以$\frac{{P}_{0}}{P}=\frac{4}{4-2a}$，則$\frac{P}{{P}_{0}}$=$\frac{2-a}{2}$，故答案為：$\frac{2-a}{2}$；
 ②平衡后，混合氣體物質(zhì)的量為3.00mol，則反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量為1.5mol，v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.5mol}{1L}}{3h}$=0.5mol•L^-1•h^-1；
                    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
        c（初）：1            3                  0                   0
        c（變）：0.5          1.5              0.5                0.5  
         c（平）：0.5          1.5              0.5                 0.5
所以K=$\frac{0.5×0.5}{0.5×1．{5}^{3}}$=0.148（L•mol^-1）²；因?yàn)椋?\frac{P}{{P}_{0}}$=$\frac{1.5}{2}$，所以P=0.75P₀，K_p=$\frac{P（{H}_{2}O）•P（C{H}_{3}OH）}{P（C{O}_{2}）•{P}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.5}{3}×\frac{1.5}{2}×{P}_{0}×\frac{0.5}{3}×\frac{1.5}{2}×{P}_{0}}{\frac{0.5}{3}×\frac{1.5}{2}×{P}_{0}×（\frac{1.5}{3}×\frac{1.5}{2}{P}_{0}）^{3}}$=$\frac{64}{27{P}_{0}^{2}}$，故答案為：0.5mol•L^-1•h^-1；0.148（L•mol^-1）²；$\frac{64}{27{P}_{0}^{2}}$．

點(diǎn)評 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)平衡的計(jì)算，平衡移動以及熱化學(xué)方程式、電化學(xué)等知識，為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析能力、計(jì)算能力的考查，注意把握蓋斯定律的應(yīng)用，電解池的工作原理等知識，題目難度中等．