Question

19．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）工业上可利用CO或CO₂来制备清洁液体燃料甲醇．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．
现将不同量的CO₂ （g）和H₂（g）分别通入到容积为2L恒容密闭容器中进行反应②，得到如表二组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需时间/min
		CO2 （g）	H2（g）	H2（g）	CO2 （g）
1	900	4	6	1.6	2.4	2
2	900	a	b	c	d	t

实验2中，若平衡吋，CO₂ （g）的转化率小于H₂（g），则a、b必须满足的关系是a＞b．
若在900℃时，另做一组实验，在此容器中加入10mol CO₂，5mol H₂，2mol CO，5mol H₂O （g）（g），则此时v_正＞v_逆（填“＞”、“＞”或“=”）．
（2）工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反应的热化学方程式为：CH₃OH（g）+CO（g）→HCOOCH₃（g）△H=-29.1KJ•mol^-1，科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如下：

①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看，工业制取甲酸甲酯应选择的压强是4.0×10⁶Pa（填“3.5×10⁶Pa”“4.0×10⁶ Pa”或“5.0×10⁶Pa”）．
②实际工业生产中采用的温度是80℃，其理由是高于80℃时，温度对反应速率影响较小，且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低．
（3）已知常温下NH₃•H₂O的电离平衡常数K=1.75×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4.4×10^-7，K₂=4.7×10^-11．常温下，用氮水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，NH₄HCO₃溶液呈碱性（填“酸性”“中性”或“碱性”），溶液中离子浓度由大到小的顺序为：c（NH₄⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）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；
由于CO₂与H₂的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO₂转化率小于H₂的转化率，则增大CO₂的物质的量；
以第一组实验的平衡状态计算900℃时的平衡常数K，再计算在此容器中加入10mol CO₂，5mol H₂，2mol CO，5mol H₂O （g）时的Qc，比较K与Qc的相对大小，结合平衡常数的影响因素判断此时正逆反应速率的相对大小；
（2）①依据转化率曲线分析判断；
②图象分析速率随温度变化的趋势分析回答；
（3）根据盐类水解规律，已知NH₃．H₂O的电离平衡常数K=1.75×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4.4×10^-7，K₂=4.7×10^-11，越弱越水解判断；根据溶液中NH₄⁺和HCO₃^-的水解程度并结合溶液的酸碱性推断各离子的浓度相对大小．

解答 解：（1）①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；
由于CO₂与H₂的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO₂转化率小于H₂的转化率，则增大CO₂的物质的量，即a/b 的值大于1；
                          H₂（g）+CO₂（g）?H₂O （g）+CO（g）
起始浓度（mol/L）         3               2                0                0
变化浓度（mol/L）          0.8           0.8              0.8              0.8           
平衡浓度（mol/L）         2.2             1.2              0.8             0.8
900℃时平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.8×0.8}{2.2×1.2}$=0.24，
此温度下另，在此容器中加入10mol CO₂，5mol H₂，2mol CO，5mol H₂O （g）时，此时Qc=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{1×2.5}{5×2.5}$=0.2＜K，说明此时反应正向进行，即V_正＞V_逆；
故答案为：3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.6kJ/mol；2.5；a＞b；＞；
（2）①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率“看，图象中转化率变化最大的是4.0×10⁶Pa，
故答案为：4.0×10⁶Pa；
②依据图象分析温度在高于80°C对反应速率影响不大，反应是放热反应，温度过高，平衡逆向进行，不利于转化率增大，
故答案为：高于80℃时，温度对反应速率影响较小，且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低；
（3）根据盐类水解规律，已知NH₃．H₂O的电离平衡常数K=1.75×10^-5，H₂CO₃的电离平衡常数K₁=4.4×10^-7，K₂=4.7×10^-11，所以碳酸氢根的水解程度更大，所以NH₄HCO₃显碱性；溶液中NH₄⁺的水解程度小于HCO₃^-，且HCO₃^-的水解程度远大于其电离程度，则溶液中各离子浓度有大小关系是c（NH₄⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-），故答案为：碱性；c（NH₄⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

点评 本题考查盖斯定律应用、平衡常数有关计算、化学平衡图象与影响因素、原电池等，题目涉及内容较多，基本属于拼合型题目，（4）中注意根据示意图判断产物，难度中等．