Question

6．甲醇和乙烯都是重要的基础化工原料，根据化学反应原理回答下列相关问题．
（1）工业上可用合成气制备甲醇．反应为CO（g）+2H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OH（g）某温度下，在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图1：

①从反应开始至平衡时，用CO表示化学反应速率为0.03mol/（L．min），该温度下的平衡常数为k=9.375．
②5min至10min时速率变化的原因可能是使用了催化剂或增大压强．
③15min 时对反应体系采取了一个措施，至20min时CO的物质的量为0.5mol，请在图2中画出CO的变化曲线．
（2）一定条件下可通过如下方式合成乙烯：6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-40kJ•mol^-1，温度对CO₂的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图3所示：

①据图分析下列说法正确的是AB．
A．生成乙烯的速率：v（M）有可能小于v（N）
B．平衡常数：K_M＞K_N
C．催化剂会影响CO₂的平衡转化率
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，则图中M点时，乙烯的体积分数为7.7%（保留两位有效数字）．
③为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施有增大压强、或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值．（任写两条）
④电解法也可制取乙烯，装置如图4，其中电极a接电源的负极，该电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①10min时反应到达平衡，平衡时CO为0.4mol、甲醇为0.6mol、氢气为0.8mol，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO），根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是使用了催化剂或增大压强；
③15min时改变条件后，甲醇的物质的量增大、氢气物质的量减小，改变条件平衡向正反应移动，CO的物质的量减小，至20min时氢气物质的量减小0.2mol，CO应减小0.1mol，而20min时CO的物质的量为0.5mol，CO物质的量增大0.1mol，则3min时应是加入CO，设加入的CO为xmol，则：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol；
（2）①A．生成乙烯的速率既受温度影响，也受催化剂影响；
B．根据（1）中的计算可知，该反应为放热反应还是吸热反应，若为放热反应，则升温平衡逆向移动，平衡常数减小，反之增大；
C．催化剂不影响平衡移动；
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，设H₂为3mol、CO₂为1mol，M点时CO₂的转化率为50%，则转化的二氧化碳为0.5mol，计算出平衡时各组分的物质的量，乙烯的体积分数=$\frac{乙烯物质的量}{混合气体总物质的量}$×100%；
③为提高CO₂的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等；
④由图可知，a电极通入二氧化碳，生成乙烯，发生还原反应，则a为阴极，二氧化碳获得电子，与通过质子交换膜的氢离子反应生成乙烯与水．

解答 解：（1）①10min时反应到达平衡，平衡时CO为0.4mol、甲醇为0.6mol、氢气为0.8mol，
则v（CO）=$\frac{\frac{1mol-0.4mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L．min），平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（{\frac{0.8}{2}）}^{2}}$=9.375，
故答案为：0.03mol/（L．min）；k=9.375；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是使用了催化剂或增大压强，
故答案为：使用了催化剂或增大压强；
③15min时改变条件后，甲醇的物质的量增大、氢气物质的量减小，改变条件平衡向正反应移动，CO的物质的量减小，至20min时氢气物质的量减小0.2mol，CO应减小0.1mol，而20min时CO的物质的量为0.5mol，CO物质的量增大0.1mol，则3min时应是加入CO，设加入的CO为xmol，则：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol，故CO的变化曲线为：
故答案为：；
（2）①A．生成乙烯的速率既受温度影响，也受催化剂影响，M点催化剂催化效率高但温度低，尽管N点催化剂催化效率低但温度高，所以v（M）有可能小于v（N），故A正确；
B．由于该反应是放热反应，升温平衡逆向移动，则平衡常数：K_M＞K_N，故B正确；
C．催化剂可以缩短到达平衡的时间，但不影响平衡移动，所以不会影响CO₂的平衡转化率，故C错误，
故选：AB；
②若投料比n（H₂）：n（CO₂）=3：1，设H₂为3mol、CO₂为1mol，M点时CO₂的转化率为50%，则转化的二氧化碳为0.5mol，则：
            6H₂（g）+2CO₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）
起始（mol）：3        1              0          0
变化（mol）：1.5      0.5            0.25       1
平衡（mol）：1.5      0.5            0.25       1
乙烯的体积分数=$\frac{0.25mol}{（1.5+0.5+0.25+1）mol}$×100%=7.7%，
故答案为：7.7%；
③提高CO₂的平衡转化率，应改变条件使平衡正向移动，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等，
故答案为：增大压强，或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，或将产物乙烯气体分离出来等；
④图可知，a电极通入二氧化碳，生成乙烯，发生还原反应，则a为阴极，连接电源的负极，二氧化碳获得电子，与通过质子交换膜的氢离子反应生成乙烯与水，电极反应式为：2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O，
故答案为：负极；2CO₂+12H⁺+12e^-→CH₂=CH₂+4H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、热化学方程式书写、原电池等，反应热计算、氧化还原反应、化学平衡计算与影响因素、电解原理等，综合性强，需要学生具备扎实的基础与灵活运用的能力，难度中等．