Question

7．随着能源与环境问题越来越被人们关注，碳一化学（C₁化学）成为研究的热点．“碳一化学”即以单质碳及CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等含一个碳原子的物质为原料合成工业产品的化学与工艺．
（1）将CO₂转化成有机物可有效实现碳循环．CO₂转化成有机物的例子很多，如：
a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆
b．CO₂=3H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化剂}$CH₃COOH．
d.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₂=CH₂+4H₂
在以上属于人工转化的反应中，原子利用率最高的是c（填序号）．
（2）CO₂制备甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，测得CO₂（g）和CH₃OH（g）浓度随时间变化如图1所示．
①该反应化学平衡常数K的表达式是$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②0～9min时间内，该反应的平均反应速率v（H₂）=0.25mol•L^-1•min^-1．
③在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，此反应达平衡时放出的热量（Q）可能是c（填字母序号）．
    a.0＜Q＜29.5kJ    b.29.5kJ＜Q＜36.75kJ    c.36.75kJ＜Q＜49kJ    d.49kJ＜Q＜98kJ
④在一定条件下，体系中CO₂的平衡转化率（α）与L和X的关系如图2所示，L和X分别表示温度或压强．
Ⅰ．X表示的物理量是温度．
Ⅱ．L₁与L₂的大小关系是L₁＞L₂，简述理由：温度一定时，增大压强，CO₂平衡转化率增大．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世纪的新型燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作用．工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚．工业上利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下：
    a．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.8kJ•mol^-1
    b．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-
    c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol
①对于反应b，在温度和容积不变的条件下，能说明该反应已达到平衡状态的是cd（填字母）．
    a．n（CH₃OH）=n（CH₃OCH₃）=n（H₂O）
    b．容器内压强保持不变
    c．H₂O（g）的浓度保持不变
    d．CH₃OH的消耗速率与CH₃OCH₃的消耗速率之比为2：1
②总反应：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.4kJ•mol^-1．
（4）以KOH溶液为电解质，用二甲醚-空气组成燃料，其中负极的电极反应式为CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．
（5）C₁化合物在治理汽车尾气方面也大有可为，如CO、CH₄等在一定条件下均可以与氮氧化物生成无污染的物质．写出CO与氮氧化物（NO_x）在有催化剂的条件下反应的化学方程式2xCO+2NO_x $\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂．

Answer 1

分析 （1）原子利用率最高，力求反应物分子中的所有原子全都转化到目标产物中，理想状态的原子利用率为100%；
（2）①平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率，依据反应速率之比等于化学方程式计量数之比得到氢气反应速率；
③反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，结合图象中二氧化碳转化率计算此时达到平衡放出的热量，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多；
④反应是气体体积减小的放热反应，升温平衡逆向进行，增大压强平衡正向进行，据此分析图象确定表示的物理量；
（3）①当化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理性不变，
a、是某一时刻的特殊值，不能说明反应已达到平衡；
b、任意时刻该反应的压强都不变；不能说明反应已达到平衡；某一物质的浓度保持不变说明达到平衡；
c、浓度不变时为平衡的标志；
d、消耗速率得出CH₃OH的正、逆反应速率相等，说明反应达到平衡；
②利用热化学方程式和盖斯定律计算所需热化学方程式，热化学方程式2a+b+c计算得到；
（4）根据燃料电池为燃料作负极失电子发生氧化反应，结合电解质溶液书写负极电极反应式；
（5）氮氧化物和一氧化碳反应生成氮气和二氧化碳，根据化合价升降相等配平．

解答 解：（1）a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆，是自然界中实现的转化，原子利用率100%，但不是人工转化，故a不符合；

b．CO₂=3H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH+H₂O，反应中原子利用率不是100%，故b不符合；
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化剂}$CH₃COOH，反应后原子利用率为100%，故c符合；
d.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₂=CH₂+4H₂反应中原子利用率不是100%，故d不符合
故答案为：c；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），该反应的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率=$\frac{0.75mol/L}{9min}$，反应速率之比等于化学方程式计量数之比，V（H₂）=3V（CH₃OH（g）=3×$\frac{0.75mol/L}{9min}$=0.25mol/L•min，
故答案为：0.25mol/L•min；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应达到平衡状态消耗二氧化碳物质的量浓度=1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，物质的量为0.75mol，反应放出热量=49KJ/mol×0.75mol=36.75KJ，反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多，大于36.75KJ，则36.75＜Q＜49，
故答案为：c；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应是气体体积减小的放热反应，
i．温度升高，平衡逆向进行，二氧化碳转化率减小，所以X为温度，L为压强，
故答案为：温度；
ii．温度一定压强增大平衡正向进行二氧化碳转化率增大，所以L₁＞L₂，
故答案为：L₁＞L₂；温度一定时，增大压强，CO₂平衡转化率增大；
（3）①a．达到平衡时，物质的量不变，不是相等，故a错误；
b．该反应是一个反应前后气体体积不变的反应，无论该反应是否达到平衡状态，压强始终不变，所以不能根据平衡体系的总压判断是否达到平衡状态，故b错误；
c．平衡时各物质的浓度不变，故c正确；
d．CH₃OH的消耗速率与CH₃OCH₃的消耗速率之比为2：1，符合正逆反应速率相等，故d正确；
故选cd，
故答案为：cd；
②a、2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
b、2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
c、CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
由盖斯定律可知，通过a×2+b+c可得所求热反应方程式，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-90.8kJ•mol^-1×2-23.5kJ•mol^-1-41.3kJ•mol^-1=-246.4kJ•mol^-1；
故答案为：-246.4kJ•mol^-1；
（4）燃料电池为燃料作负极失电子发生氧化反应，又电解质溶液为KOH，所以负极电极反应式为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（5）氮氧化物和一氧化碳反应生成氮气和二氧化碳，根据氮元素化合价变化，配平反应的方程式，反应的化学方程式为：2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂，
故答案为：2xCO+2NO_x$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$2xCO₂+N₂；

点评 本题考查化学平衡图象、化学平衡有关计算、化学平衡常数、影响化学平衡的因素、热化学方程式书写、电极反应式的书写等，是对知识的综合运用，难度中等．