Question

16．由碳的氧化物直接合成乙醇燃料已进入大规模生产．
（1）如采取以CO和H₂为原料合成乙醇，化学反应方程式：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H；若密闭容器中充有10mol CO与20mol H₂，在催化剂作用下反应生成乙醇，CO的转化率（α）与温度、压强的关系如图1所示．

已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
①△H=-300kJ•mol^-1
②若A、C两点都表示达到的平衡状态，则从反应开始到达平衡状态所需的时间t_A＞t_C（填“＞”、“＜”或“﹦”）．
③若A、B两点表示在某时刻达到的平衡状态，此时在A点时容器的体积为10L，则该温度下的平衡常数：K=0.25L⁴•mol^-4；
④熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），是用煤气（CO+H₂）格负极燃气，空气与CO₂的混合气为正极助燃气，用一定比例Li₂CO₃和Na₂CO₃低熔混合物为电解质，以金属镍（燃料极）为催化剂制成的．负极上CO反应的电极反应式为CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂．
（2）工业上还可以采取以CO₂和H₂为原料合成乙醇，并且更被化学工作者推崇，但是在相同条件下，由CO制取CH₃CH₂OH的平衡常数远远大于由CO₂制取CH₃CH₂OH 的平衡常数．请推测化学工作者认可由CO₂制取CH₃CH₂OH的优点主要是：原料易得、原料无污染、可以减轻温室效应等．
（3）目前工业上也可以用CO₂来生产甲醇．一定条件下发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．若将6mol CO₂和8mol H₂充入2L的密闭容器中，测得H₂的物质的量随时间变化的曲线如图2所示（实线）．
①请在答题卷图中绘出甲醇的物质的量随时间变化曲线．
②仅改变某一实验条件再进行两次实验，测得H₂的物质的量随时间变化如图中虚线所示，曲线I对应的实验条件改变是升高温度，曲线Ⅱ对应的实验条件改变是增大压强．
（4）将标准状况下4.48L CO₂通入1L 0.3mol•L^-1NaOH溶液中完全反应，所得溶液中微粒浓度关系正确的是
A．c（Na⁺）=c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）+c（H₂CO₃）
B．c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（H₂CO₃）+c（H⁺）
C．c（Na⁺）+c（H⁺）=c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-）+c（OH^-）
D．2c（Na⁺）=3c（HCO₃^-）+3c（CO₃^2-）+3c（H₂CO₃）

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ、2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
Ⅱ、2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
Ⅲ、CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
Ⅳ、H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
由盖斯定律Ⅰ+2×Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ可得2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g），据此计算；
②温度越高，反应速率越大，反应到达平衡的时间越短；
③根据三段式求出平衡状态时各物质的浓度，根据化学平衡常数表达式计算得到答案；
④原电池负极得电子发生氧化反应，再结合介质写电极反应式；
（2）二氧化碳的含量较大且易获取，二氧化碳减少能减轻对环境的影响；
（3））①随着反应的进行，甲醇的物质的量逐渐增大，当达到平衡状态时，参加反应的氢气物质的量=（8-2）mol=6mol，再计算生成甲醇的物质的量；
②I达到平衡的时间缩短，说明反应速率增大，但氢气的转化率减小，说明改变条件抑制平衡向正反应方向移动；Ⅱ达到平衡的时间缩短，说明反应速率增大，且氢气的转化率增大，说明改变条件促进平衡向正反应方向移动；
（4）该溶液是0.2mol二氧化碳与0.3mol的氢氧化钠反应，最终是0.1mol碳酸钠与0.1mol碳酸氢钠的混合溶液，再结合三大守恒判断．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ、2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
Ⅱ、2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
Ⅲ、CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
Ⅳ、H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
由盖斯定律Ⅰ+2×Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ可得2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-566kJ•mol^-1；
故答案为：-300；
②A的温度小于C点，温度越高，反应速率越大，则反应到达平衡的时间越短，所以t_A大于t_C；
故答案为：＞；
③2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）
起始浓度（mol/L） 1     2          0        0
转化浓度（mol/L）0.5    1.0       0.25    0.25
平衡浓度（mol/L）0.5    1.0       0.25    0.25
根据化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值可知，该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.25×0.25}{0．{5}^{2}×1．{0}^{4}}$=0.25L⁴•mol^-4；
故答案为：0.25L⁴•mol^-4；
④CO在负极上发生氧化反应生成CO₂，电极反应式为：CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂；
CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂；
（2）原料易得、原料无污染、可以减轻温室效应等（1 分）
（3）①根据图象可知平衡时氢气的物质的量是2mol，消耗氢气的物质的量是8mol-2mol=6mol，平衡时生成甲醇的物质的量是$\frac{1}{2}$×6mol=2mol，因此图象可表示为：
故答案为：；
②根据图象知，I反应到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，但氢气的转化率减小，平衡向逆反应方向移动，则改变的条件是升高温度；II反应到达平衡的时间缩短，说明反应速率增大，且氢气的转化率增大，说明改变条件促进平衡向正反应方向移动，则改变的条件是增大压强；
故答案为：升高温度；增大压强；
（4）该溶液是0.2mol二氧化碳与0.3mol的氢氧化钠反应，发生的反应为CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O，二氧化碳剩余，氢氧化钠充分反应生成0.15mol的碳酸钠，剩余的0.05mol二氧化碳与碳酸钠反应：Na₂CO₃+H₂O+CO₂=2NaHCO₃，则Na₂CO₃剩余0.1mol，生成NaHCO₃0.1mol，即混合溶液为等量的碳酸钠与碳酸氢钠：
A、根据电荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），而C（H⁺）≤C（CO₃^2-），故A错误；
B、根据电荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），故B错误；
C、根据电荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），故C正确；
D、电荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-）…①，物料守恒可知：2C（Na⁺）=3[C（HCO₃^-）+C（CO₃^2-）+C（H₂CO₃）…②，将①代入②得：C（CO₃^2-）+2C（OH^-）=3C（H₂CO₃）+C（HCO₃^-）+2C（H⁺），故D正确；
故答案为：CD．

点评 本题考查学反应速率计算、化学平衡影响因素、化学平衡常数及其计算、离子浓度大小的比较，掌握三大守恒和正确分析图象中曲线变化是解本题关键，再结合物质的性质、外界条件对化学平衡的影响等知识点来分析解答；题目难度中等．