Question

14．低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，低碳经济的概念在中国正迅速从高端概念演变成全社会的行为，在新能源汽车、工业节能等多个领域都大有作为．请运用化学反应原理的相关知识研究碳及其化合物的性质
（1）实验室里常用NaOH溶液吸收CO₂．
若用50mL 3mol•L^-1的NaOH溶液吸收2240mLCO₂（标准状况下），完全吸收反应后，所得溶液中离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
（2）工业上可利用CO或CO₂来制备燃料甲醇．
已知：800℃时，化学反应①、反应②对应的平衡常数分别为2.5、1.0
反应①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反应②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
写出用CO₂与H₂反应制备甲醇的热化学方程式3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.6kJ/mol．
800℃时该反应的化学平衡常数K的数值为2.5．
（3）利用光能和光催化剂，可将CO₂和H₂O（g）转化为CH₄和O₂，紫外线照射时，在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄产量随光照时间的变化如图1所示，在0-15h内，对反应催化效果最好的催化剂是Ⅱ（填序号

（4）一定温度下，在3L容积可变的密闭容器中发生上述反应②，已知c（CO）随反应时间t的变化曲线a如图2所示，在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，则改变的条件是加入催化剂，若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，在图2上画出变化曲线．
（5）图3为绿色电源“二甲醚（CH₃OCH₃）燃料电池”的工作原理示意图，b电极为正极（填“正”或“负”），a电极的电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）n （CO₂）=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，n（NaOH）=0.05L×3mol/L=0.15mol，＜1n（NaOH）：n（CO₂）=1.5＜2，故反应生成Na₂CO₃、NaHCO₃，设所得产物中含Na₂CO₃为xmol，NaHCO₃为ymol，则：$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.1}\\{2x+y=0.15}\end{array}\right.$，解得x=y=0.05，溶液中碳酸根、碳酸氢根水解，溶液呈碱性，碳酸根水解程度大于碳酸氢根水解程度；
（2）已知：①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得：3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），平衡常数为①、②平衡常数乘积；
（3）相同时间内甲烷产量越大，说明反应速率越快，催化剂效果越好；
（4）在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，缩短到达平衡的时间，反应速率加快，平衡时CO的浓度不变，改变条件不影响平衡移动，不可能是升高温度，反应②是反应前后气体的物质的量不变的反应，增大压强平衡不移动，但CO的浓度会增大，可能改变的条件是加入催化剂；
若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，压强增大，反应速率加快，缩短到达平衡的时间，不影响平衡移动，平衡时CO的浓度变为$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁时刻瞬间CO的浓度为0.3mol/L；
（5）由示意图可知，a电极中二甲醚发生氧化反应生成二氧化碳，则a为负极，b为正极．

解答 解：（1）n （CO₂）=$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，n（NaOH）=0.05L×3mol/L=0.15mol，＜1n（NaOH）：n（CO₂）=1.5＜2，故反应生成Na₂CO₃、NaHCO₃，设所得产物中含Na₂CO₃为xmol，NaHCO₃为ymol，则：$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.1}\\{2x+y=0.15}\end{array}\right.$，解得x=y=0.05，溶液中碳酸根、碳酸氢根水解，溶液呈碱性，碳酸根水解程度大于碳酸氢根水解程度，溶液中钠离子浓度最大，故离子浓度：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（2）已知：①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得：3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.6kJ/mol，800℃时该反应的化学平衡常数K的数值为2.5×1=2.5，
故答案为：3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.6kJ/mol；2.5；
（3）由图可知，0-15小时内，相同时间内第Ⅱ种催化剂的作用下收集的CH₄最多，反应催化效果最好的催化剂是Ⅱ
故答案为：Ⅱ；
（4）在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，缩短到达平衡的时间，反应速率加快，平衡时CO的浓度不变，改变不影响平衡移动，不可能是升高温度，反应②是反应前后气体的物质的量不变的反应，增大压强平衡不移动，但CO的浓度会增大，可能改变的条件是加入催化剂；
若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，压强增大，反应速率加快，缩短到达平衡的时间，不影响平衡移动，平衡时CO的浓度变为$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁时刻瞬间CO的浓度为0.3mol/L，画出变化曲线为：，
故答案为：加入催化剂；；
（5）反应本质是二甲醚的燃烧，原电池负极发生氧化反应，二甲醚在负极放电，正极反应还原反应，氧气在正极放电．由图可知，a极为负极，b为正极，二甲醚放电生成二氧化碳与氢离子，a电极的电极反应式为 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺，
故答案为：正极；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

点评 本题考查离子浓度大小比较、盖斯定律应用、平衡常数有关计算、化学平衡计算及影响因素、原电池等，题目涉及内容较多，基本属于拼合型题目，需要学生具备扎实的基础，难度中等．