Question

6．随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．
（1）目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积恒为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下合成甲醇，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．达到平衡时放出热量150kJ．
①写出该反应的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
③该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
④可以证明该反应已达到平衡状态的是abc；
a．2个O-H键断裂的同时，有3个H-H键断裂   
b．混合气体平均相对分子质量不再改变
c．正反应速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反应速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min）    
d．密度保持不变
⑤下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CD．
A．升高温度              B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离   D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（2）在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离去除CO₂，还要求提供充足的O₂．某种电化学装置可实现如下转化：2CO₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2CO+O₂，CO可用作燃料．已知该反应的阳极反应为：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O则阴极反应式为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．有人提出，可以设计反应2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0）来消除CO的污染．请你判断是否可行并说出理由：不可行，该反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行．

Answer 1

分析 （1）①在体积恒为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下合成甲醇，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．达到平衡时生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出热量150kJ，生成1mol甲醇放热=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，标注物质聚集状态和对应反应焓变写出热化学方程式；
②由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式可知氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量3倍为2.25mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
③化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值；
④根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反应移动，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；
（2）阴极发生还原反应，CO₂被还原生成CO，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式；根据△G的大小判断反应能否进行．

解答 解：（1）①在体积恒为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下合成甲醇，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．达到平衡时生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出热量150kJ，生成1mol甲醇放热=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量为0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol}{10min}$=0.225mol/（L•min），故答案为：0.225mol/（L•min）；
③反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④a．2个O-H键断裂的同时，有3个H-H键断裂，说明3mol氢气消耗同时1mol水消耗，正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故a正确； 
b．反应前后气体质量不变，气体物质的量变化，当混合气体平均相对分子质量不再改变，说明反应达到平衡状态，故b正确；
c．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，为正反应速率之比，正反应速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反应速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min），说明二氧化碳的正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故c正确；    
d．反应前后气体质量和体积不变，密度始终保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故d错误；
故答案为：a、b、c；    
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反应移动，则．
A．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，比值减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，容器的容积不变，反应混合物的浓度不变，平衡不移动，比值不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应移动，比值增大，故C正确；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效为增大压强，平衡向正反应移动，比值增大，故D正确；
故答案为：CD；
（2）总反应式为2CO₂=2CO+O₂，阳极反应为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式，所以阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，反应2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0），则△G=△H-T•△S＞0，反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行；
故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，该反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行．

点评 本题考查反应速率计算、化学平衡的影响因素、平衡常数等，题目难度中等，注意基础知识的掌握，把握图象的分析是解答的关键．