Question

2．随着能源与环境问题越来越被人们关注，碳一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有很多，如：
a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆+6O₂
b．CO₂+3H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化剂}$CH₃COOH
d．2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₂═CH₂+4H₂O
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）CO可用于合成甲醇．在压强为0.1MPa条件下，在体积为b L的密闭容器中充入a mol CO和2a mol H₂，在催化剂作用下合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图．
①该反应属于放热反应（填“吸热”或“放热”）．若一个可逆反应的平衡常数K值很大，对此反应的说法正确的是c（填序号）．
a．反应使用催化剂意义不大
b．该反应发生将在很短时间内完成
c．该反应达到平衡时至少有一种反应物百分含量很小
d．该反应一定是放热反应
②100℃时，该反应的平衡常数K=$\frac{{b}^{2}}{{a}^{2}}$（用含a、b的代数式表示）．
（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．
①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^-1
c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
总反应：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.4kJ•mol^-1．
②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．

Answer 1

分析 （1）原子利用率最高的是把所有的反应物全部转化为产物；
（2）①由图可知，压强一定时，随温度升高，CO的转化率降低，故升高温度平衡向逆反应移动，据此判断；
②利用三段式计算出平衡时各组分的物质的量，进而求出平衡时各组分的浓度，代入平衡常数表达式计算；
（3）①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；
②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．

解答 解：（1）原子利用率最高的是把所有的反应物全部转化为产物，原子利用率100%；
a、CO₂转化为C₆H₁₂O₆之外还有氧气产生，故a错误；
b、CO₂转化为CH₃OH有水产生，故b错误；
c、CO₂和CH₄反应全部转化为剂CH₃COOH，故c正确；
d、CO₂和H₂反应生成乙烯之外还有水的生成，故d错误；
故答案为：c；
（2）①由图可知，压强一定时，随温度升高，CO的转化率降低，故升高温度平衡向逆反应移动，则正反应为放热反应；
a．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该反应在通常条件下一定可以发生，该反应可能需要催化剂才可以进行，故a错误；
b．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该条件下反应速率很快，故b错误；
c．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，反应达平衡时至少有一种反应物的百分含量很小，故c正确；
d．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该反应是吸热还是放热，故d错误，
故答案为：放热；c；
②100℃，平衡时CO的转化率为0.5，所以参加反应的CO的物质的量为0.5amol．
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；
开始（mol）：a       2a         0
变化（mol）：0.5a    a         0.5a
平衡（mol）：0.5a    a          0.5a
平衡（mol/L）$\frac{0.5a}{b}$    $\frac{a}{b}$         $\frac{0.5a}{b}$
100℃时该反应的平衡常数k=$\frac{\frac{0.5amol}{bL}}{\frac{0.5amol}{bL}（\frac{amol}{bL}）^{2}}$=$\frac{{b}^{2}}{{a}^{2}}$；
故答案为：$\frac{{b}^{2}}{{a}^{2}}$；
（3）①a、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；
②a．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．

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、热化学方程式书写等，是对知识的综合运用，掌握基础是关键，题目难度中等．