Question

13．研究CO₂的利用对促进低碳社会的构建具有重要的意义．
（1）已知拆开1mol H₂、1mol O₂和液态水中1mol O-H键使之成为气态原子所需的能量分别为436kJ、496kJ和462kJ；CH₃OH（g）的燃烧热为627kJ•mol^-1．
则CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-93kJ•mol^-1

（2）将燃煤废气中的CO₂转化为二甲醚的反应原理为：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）
①该反应平衡常数表达式K=$\frac{[C{H}_{3}OC{H}_{3}]}{[C{O}_{2}]^{2}•[{H}_{2}]^{6}}$．
②已知在某压强下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的转化率如图1所示．该反应的△H＜0（填“＞”或“＜”）．若温度不变，减小反应投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$，则K将不变（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③某温度下，向体积一定的密闭容器中通入CO₂（g）与H₂（g）发生上述反应，当下列物理量不再发生变化时，
能表明上述可逆反应达到化学平衡的是ABC．
A．二氧化碳的浓度           
B．容器中的压强
C．气体的密度               
D．CH₃OCH₃与H₂O的物质的量之比
（3）向澄清的石灰水中通入CO₂至溶液中的Ca²⁺刚好完全沉淀时，则溶液中c（CO₃^2-）=2.8×10^-4mol/L．[已知：K_sp（CaCO₃）=2.8×10^-9]
（4）以甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料的燃料电池为电源，以石墨为电极电解500mL滴有酚酞的NaCl溶液，装置如图2所示：请写出电解过程中Y电极附近观察到的现象Y电极附近溶液中有气体产生，上部分呈黄绿色；当燃料电池消耗2.8LO₂（标准状况下）时，计算此时：NaCl溶液的pH=14（假设溶液的体积不变，气体全部从溶液中逸出）．

Answer 1

分析 （1）设反应的反应热为xkJ•mol^-1，根据甲醇的燃烧热写出：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1 ，结合CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=xkJ•mol^-1利用盖斯定律可得：3H₂（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=3H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1+kJ•mol^-1，再依据焓变△H=反应物拆化学键吸收的能量-生成物形成化学键放出的能量计算得到；
（2）①根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积进行计算；
②根据温度对平衡的影响分析△H的符号；平衡常数K只与温度有关；
③当可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体现中各物质的物质的量、物质的量浓度及百分含量都不变，以及由此引起的一些物理量不变，据此分析解答；
（3）根据Ca²⁺刚好完全沉淀时，c（Ca²⁺）=1×10^-5mol/L以及Ksp=c（Ca²⁺）c（CO₃^2-）计算；
（4）惰性电极电解饱和食盐水，Y电极是阳极，溶液中氯离子失电子生成氯气；依据原电池和电解池中存在的电子守恒结合电极反应计算溶液pH．

解答 解：（1）设反应的反应热为xkJ•mol^-1，根据甲醇的燃烧热写出：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1 ，结合CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=xkJ•mol^-1利用盖斯定律可得：3H₂（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=3H₂O（l）△H=-627kJ•mol^-1+xkJ•mol^-1，即436kJ×3+496kJ×$\frac{3}{2}$-462kJ×6=-627kJ+xkJ，解得：x=-93；
故答案为：-93；    
（2）①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以平衡常数K=$\frac{[C{H}_{3}OC{H}_{3}]}{[C{O}_{2}]^{2}•[{H}_{2}]^{6}}$，故答案为：$\frac{[C{H}_{3}OC{H}_{3}]}{[C{O}_{2}]^{2}•[{H}_{2}]^{6}}$；
②因为温度越高，CO₂转化率越小，则平衡逆移，所以该反应正方向为放热反应，即△H＜0，K只受温度影响，若温度不变，减小投料比，则K不变，
故答案为：＜；不变；
③A．二氧化碳的浓度不变，则达到了平衡，故A选；
B．反应前后气体的系数和不相等，当容器内压强不再改变，则达到了平衡，故B选；
C．该反应是一个反应前后气体体积变化的可逆反应，容器的体积不变，但反应前后气体质量变化，气体的密度不发生变化，则达到了平衡，故C选；
D．任何时候CH₃OCH₃与H₂O的物质的量之比不变，不能说明反应达到平衡，故D不选；
故答案为：ABC；
（3）向澄清的石灰水中通入CO₂至溶液中的Ca²⁺刚好完全沉淀时，c（Ca²⁺）=1×10^-5mol/L，则c（CO₃^2-）=$\frac{2.8×1{0}^{-9}}{1×1{0}^{-5}}$mol/L=2.8×10^-4mol/L；
故答案为：2.8×10^-4mol/L；
（4）电解池中Y电极为阳极，溶液中氯离子失电子发生氧化反应生成氯气，现象是冒气泡，上部溶液呈黄绿色；
当燃料电池消耗2.8LO₂（标准状况下）物质的量=$\frac{2.8L}{22.4L/mol}$=0.125mol，电极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，电子转移为0.5mol，电解池中 阳极电极反应为4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，依据电子守恒溶液中减少氢氧根离子物质的量和增加的氢离子物质的量守恒，则溶液中氢离子浓度=$\frac{0.5mol}{0.5L}$=1mol/L，此时NaCl溶液的pH=14；
故答案为：Y电极附近溶液中有气体产生，上部分呈黄绿色；14．

点评 本题主要考查了化学平衡的判断、化学平衡常数、溶解平衡的计算以及热化学方程式的书写、原电池反应、电解池反应原理的应用判断，注意把握从键能的角度以及盖斯定律计算反应热的方法，第（1）问难度较大．