Question

20．碳及其化合物在生活、化工領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用．試回答下列問(wèn)題：

（1）二甲醚（CH₃0CH₃）是無(wú)色氣體，可作為一種新型能源．工業(yè)上可用CO₂和H₂反應(yīng)合成
二甲醚：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H₀已知：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1
①△H=-130.8kJ．mol^-1
②下列能判斷恒溫恒容條件下合成二甲醚的反應(yīng)已達(dá)到平衡的依據(jù)為bc（填字母）．
a．氣體密度不變
b．壓強(qiáng)不變
c．氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量不變
d．反應(yīng)前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，一段時(shí)間后測(cè)得容器中的比值不變
③上述合成二甲醚的反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率如圖1所示．T₁溫度下，將6mol CO₂和12mol H₂充人2L的恒容密閉容器中，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，則0～5min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（CH₃0CH₃）=0.18 mol/（L•min）；A、B、C三點(diǎn)對(duì)應(yīng)平衡常數(shù)K_A、K_B．K_C之間的大小關(guān)系為K_A=K_C＞K_B．
（2）有科學(xué)家提出由CO₂制取C的太陽(yáng)能工藝如圖2所示，若重整系統(tǒng)發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，則重整系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃
（3）以CO₂為原料利用電解法可制取乙烯，其裝置如圖3所示．電極a為電源的負(fù)極（填“正極”或“負(fù)極”），生成乙烯的電極反應(yīng)式為2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O．
（4）常溫下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液．反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O-NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=1.25×10^-3．（已知常溫下NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)K_b=2×l0^-5，H₂C0₃的電離平衡常數(shù)K₁=4×l0^-7）

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到；
②當(dāng)一個(gè)量在反應(yīng)未平衡的時(shí)候一直在變化，而后來(lái)不變了，則可以作為平衡的標(biāo)志，據(jù)此分析；
③T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根據(jù)平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{△c}{△t}$；根據(jù)平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，在相同投料比時(shí)，T₁溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率大，所以T₁溫度下較T₂溫度下正向進(jìn)行程度大．
（2）根據(jù)由CO₂制取C的太陽(yáng)能工藝圖示可知，CO₂被FeO還原為C，則FeO將被氧化，根據(jù)重整系統(tǒng)發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4寫(xiě)出化學(xué)方程式；
（3）電極a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素發(fā)生了還原反應(yīng)，據(jù)此分析；根據(jù)化合價(jià)的變化結(jié)合溶液呈酸性來(lái)寫(xiě)出電極方程式；
（4）反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)表達(dá)式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的電離平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，從而可得出平衡常數(shù)間的關(guān)系，據(jù)此分析．

解答 解：（1）①已知反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1 I
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1 II
將I×2-II可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H=（-53.7kJ．mol^-1）×2-（+23.4kJ．mol^-1）=-130.8 kJ．mol^-1，故答案為：-130.8 kJ．mol^-1；
②對(duì)于反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）
a．由于是恒容的容器，容器體積V一直不變，而此反應(yīng)全部是氣體參加和生成，故氣體的質(zhì)量一直不變，則氣體的密度無(wú)論反應(yīng)有沒(méi)有達(dá)到平衡都一直不變，故不能作為反應(yīng)達(dá)平衡的標(biāo)志，故a錯(cuò)誤；
b．由于容器恒容，而此反應(yīng)正反應(yīng)方向是氣體的物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，故反應(yīng)在平衡之前，容器內(nèi)的壓強(qiáng)在變小，故當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)平衡，故b正確；
c．此反應(yīng)全部是氣體參加和生成，故氣體的質(zhì)量一直不變，而正反應(yīng)方向是氣體的物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，故平衡之前，氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量在變大，故當(dāng)不變時(shí)，能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)平衡，故c正確；
d．反應(yīng)前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，而根據(jù)物質(zhì)的量的該變量等于計(jì)量數(shù)之比可知，△（C0₂）：△（H₂）=2：6，故無(wú)論反應(yīng)是否達(dá)到平衡，n（C0₂）：n（H₂）恒等于2：6即1：3，故當(dāng)比值不變時(shí)，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)平衡，故d錯(cuò)誤；
故選bc；
③T₁溫度下，將6molCO₂和12molH₂充入2L的密閉容器中，由圖象可知，5min后反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率為60%，則生成CH₃OCH₃0為6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{\frac{1.8mol}{2L}}{5min}$=0.18 mol/（L•min）；
平衡常數(shù)僅與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，所以K_A=K_C，在相同投料比時(shí)，T₁溫度下二氧化碳轉(zhuǎn)化率大，所以T₁溫度下正向進(jìn)行程度故T₂溫度大，則K_A=K_C＞K_B，
故答案為：0.18 mol/（L•min）；K_A=K_C＞K_B．
（2）由CO₂制取C的太陽(yáng)能工藝圖示可知，CO₂被FeO還原為C，則FeO將被氧化，根據(jù)重整系統(tǒng)發(fā)生的反應(yīng)中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，結(jié)合得失電子數(shù)守恒和質(zhì)量守恒可知反應(yīng)為：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃，故答案為：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃；
（3）電極a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素發(fā)生了還原反應(yīng)，故電極a為陰極，則所連的是電源的負(fù)極；此電極上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素的化合價(jià)由+4價(jià)變?yōu)?2價(jià)，結(jié)合溶液呈酸性可知極方程式為：2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O，故答案為：負(fù)極；2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O；
（4）反應(yīng)NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常數(shù)K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的電離平衡常數(shù)表達(dá)式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的電離平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，從而可得出平衡常數(shù)間的關(guān)系K=$\frac{Kw}{{K}_•{K}_{1}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}×4×1{0}^{-7}}$=1.25×10^-3，故答案為：1.25×10^-3．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、反應(yīng)達(dá)平衡的判斷以及平衡常數(shù)的有關(guān)計(jì)算等問(wèn)題，綜合性較強(qiáng)，是高考的常見(jiàn)題型，難度較大．