Question

9．CO₂和H₂可用于合成甲醇和甲醚．
（1）已知①CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.5kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
則工業(yè)上以CO₂（g）、H₂（g）為原料合成CH₃OH（l），同時(shí)生成H₂O（l）的熱化學(xué)方程式為CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-131.9kJ•mol^-1．
（2）將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醚的反應(yīng)原理為2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）
已知在投料比n（CO₂）：n（H₂）=1：3的條件下，不同溫度、不同壓強(qiáng)時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率見表：

溫度 轉(zhuǎn)化率 壓強(qiáng)	500K	600K
P	60%	b
1.5P	a	55%

①下列關(guān)于上述可逆反應(yīng)的說法正確的是AD
A．在恒溫、恒容的密閉容器中，當(dāng)反應(yīng)混合氣體的密度保持不變時(shí)反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)
B．當(dāng)v_正（CO₂）=3v_逆（H₂），反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)
C．當(dāng)n（CO₂）：n（H₂）=1：3時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)
D．a(chǎn)＞60%
②上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$．
③該反應(yīng)的△H＜0，原因是由表中數(shù)據(jù)可判斷b＜55%，可得溫度升高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率降低，所以正反應(yīng)放熱．
④在壓強(qiáng)為P、溫度為500K、投料比n（CO₂）：n（H₂）=1：3的條件下，反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，混合氣體中CO₂的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{4}{19}$．
（3）以甲醇、空氣、KOH溶液為原料可設(shè)計(jì)成燃料電池：放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃OH-8e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）3×（②+③）-①，整理可得：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）焓變進(jìn)行相應(yīng)的改變；（2）①A．反應(yīng)前后改變的物理量不變時(shí)，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
B．當(dāng)不同物質(zhì)的反應(yīng)速率方向相反且其速率之比等于計(jì)量數(shù)之比時(shí)，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
C．反應(yīng)體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量不變時(shí)，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
D．該反應(yīng)的正反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)前后氣體體積減小的放熱反應(yīng)，降低溫度、增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)；
②化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比；
③恒容恒壓條件下，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)；
④在壓強(qiáng)為P、溫度為500K、投料比n（CO₂）：n（H₂）=1：3的條件下，反應(yīng)消耗的二者的物質(zhì)的量的比是1：3，所以反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為與CO₂相同；
假設(shè)反應(yīng)開始時(shí)加入CO₂的物質(zhì)的量是2mol，根據(jù)方程式2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）可知：每有2molCO₂發(fā)生反應(yīng)，會(huì)消耗H₂6mol，產(chǎn)生1mol CH₃OCH₃（g），現(xiàn)在CO₂反應(yīng)消耗的物質(zhì)的量是△n（CO₂）=1mol×0.6=0.6mol，消耗H₂的物質(zhì)的量是△n（H₂）=3mol×0.6=1.8mol，產(chǎn)生CH₃OCH₃（g）的物質(zhì)的量是：△n（CH₃OCH₃）=$\frac{1}{2}$△n（CO₂）=0.3mol，平衡時(shí)混合氣體中CO₂的物質(zhì)的量是n（CO₂）=0.4mol，n（H₂）=1.2mol；
（3）以甲醇、空氣、KOH溶液為原料可設(shè)計(jì)成燃料電池，通入甲醇的電極為負(fù)極，放電時(shí)，負(fù)極上甲醇失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水．

解答 解：（1）3×（②+③）-①，整理可得：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-131.9 kJ•mol^-1；
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-131.9 kJ•mol^-1；
（2）①A．在恒溫、恒容的密閉容器中，反應(yīng)前后氣體減小、容器體積不變，所以密度減小，當(dāng)容器內(nèi)氣體密度不變時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．當(dāng)3v_正（CO₂）=v_逆（H₂）時(shí)該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，所以當(dāng)v_正（CO₂）=v_逆（H₂）時(shí)該反應(yīng)沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；
C．當(dāng)n（CO₂）：n（H₂）=1：3時(shí)，該反應(yīng)可能達(dá)到平衡狀態(tài)也可能沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，與反應(yīng)物物質(zhì)的量及轉(zhuǎn)化率有關(guān)，故C錯(cuò)誤；
D．由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，所以在壓強(qiáng)不變時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，所以物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率a＞60%，故D正確；
故選AD；
②化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比．該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$，
故答案為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）．{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
③在壓強(qiáng)都是1.5 P時(shí)，在溫度為500 K時(shí)，轉(zhuǎn)化率a＞60%，在600K時(shí)轉(zhuǎn)化率是55%，說明升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，逆反應(yīng)方向?yàn)槲鼰岱磻?yīng)，所以該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以△H＜0，
故答案為：＜；由表中數(shù)據(jù)可判斷b＜55%，可得溫度升高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率降低，所以正反應(yīng)放熱；
④在壓強(qiáng)為P、溫度為500K、投料比n（CO₂）：n（H₂）=1：3的條件下，反應(yīng)消耗的二者的物質(zhì)的量的比是1：3，所以反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為與CO₂相同，為60%；
假設(shè)反應(yīng)開始時(shí)加入CO₂的物質(zhì)的量是2mol，根據(jù)方程式2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）可知：每有2molCO₂發(fā)生反應(yīng)，會(huì)消耗H₂6mol，產(chǎn)生1mol CH₃OCH₃（g），現(xiàn)在CO₂反應(yīng)消耗的物質(zhì)的量是△n（CO₂）=1mol×0.6=0.6mol，消耗H₂的物質(zhì)的量是△n（H₂）=3mol×0.6=1.8mol，產(chǎn)生CH₃OCH₃（g）的物質(zhì)的量是：△n（CH₃OCH₃）=$\frac{1}{2}$△n（CO₂）=0.3mol，平衡時(shí)混合氣體中CO₂的物質(zhì)的量是n（CO₂）=0.4mol，n（H₂）=1.2mol，所以CO₂體積分?jǐn)?shù)為[0.4mol÷（0.4mol+1.2mol+0.3mol）]=$\frac{4}{19}$，
故答案為：60%；$\frac{4}{19}$；
（3）以甲醇、空氣、KOH溶液為原料可設(shè)計(jì)成燃料電池，通入甲醇的電極為負(fù)極，放電時(shí)，負(fù)極上甲醇失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)式為CH₃OH-8e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-8e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較綜合，涉及化學(xué)平衡計(jì)算、蓋斯定律、原電池原理等知識(shí)點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、計(jì)算能力，明確蓋斯定律計(jì)算方法、化學(xué)平衡“三段式”、原電池電極反應(yīng)式的書寫方法是解本題關(guān)鍵，注意：只有反應(yīng)前后改變的物理量才能作為化學(xué)平衡狀態(tài)判斷依據(jù)，題目難度不大．