Question

目前，“低碳經(jīng)濟(jì)”備受關(guān)注，CO₂的產(chǎn)生及有效開發(fā)利用成為科學(xué)家研究的重要課題．試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決下列問題：
（1）已知某反應(yīng)的平衡表達(dá)式為：k=

c2(H2)?c(CO2)

c2(H2O)

它所對(duì)應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)為：

 

（2）一定條件下，將C（s）和H₂O（g）分別加入甲、乙兩個(gè)密閉容器中，發(fā)生（1）中反應(yīng)：其相關(guān)數(shù)據(jù)如表所示：

容器	容積/L	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	達(dá)到平衡所需時(shí)間/min
			C（s）	H2O（g）	H2（g）
甲	2	T1	2	4	3.2	8
乙	1	T2	1	2	1.2	3

①T₁℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

②乙容器中，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到1.5min時(shí)，H₂O（g）的物質(zhì)的量濃度

 

 （填選項(xiàng)字母）．
A．=0.8mol?L^-1    B．=1.4mol?L^-1    C．＜1.4mol?L^-1    D．＞1.4mol?L^-1
③丙容器的容積為1L，T₁℃時(shí)，按下列配比充入C（s）、H₂O（g）、CO₂（g）和H₂（g），達(dá)到平衡時(shí)各氣體的體積分?jǐn)?shù)與甲容器完全相同的是

 

（填選項(xiàng)字母）．
A.0.6mol、1.0mol、0.5mol、1.0mol
B.0.6mol、2.0mol、0mol、0mol
C.1.0mol、2.0mol、1.0mol、2.0mol
D.0.25mol、0.5mol、0.75mol、1.5mol
（3）在一定條件下，科學(xué)家利用從煙道氣中分離出CO₂與太陽能電池電解水產(chǎn)生的H₂合成甲醇，已知CH₃OH、H₂的燃燒熱分別為：△H=-725.5kJ/mol、△H=-285.8kJ/mol，寫出工業(yè)上以CO₂、H₂合成CH₃OH的熱化學(xué)方程式：

 

．
（4）將燃煤廢氣中的CO₂轉(zhuǎn)化為甲醚的反應(yīng)原理為：
2CO₂（g）+6H₂（g）

催化劑

CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
已知一定壓強(qiáng)下，該反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率見下表：

投料比[ n(H2) n(CO2) ]	500K	600K	700K	800K
1.5	45%	33%	20%	12%
2.0	60%	43%	28%	15%
3.0	83%	62%	37%	22%

①該反應(yīng)的焓變△H

 

0，熵變△S

 

0（填＞、＜或=）．
②用甲醚作為燃料電池原料，在堿性介質(zhì)中該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式

 

．若以1.12L?min^-1（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的速率向該電池中通入甲醚（沸點(diǎn)為-24.9℃），用該電池電解500mL 2mol?L^-1 CuSO₄溶液，通電0.50min后，理論上可析出金屬銅

 

g．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡常數(shù)的含義,反應(yīng)熱和焓變,熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)平衡常數(shù)的定義判斷反應(yīng)的方程式；
（2）①利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，再根據(jù)平衡常數(shù)k計(jì)算；
②隨反應(yīng)進(jìn)行，物質(zhì)的濃度降低，反應(yīng)速率較短，故前1.5min水的濃度變化量大于后1.5min水的濃度變化量，據(jù)此解答；
③反應(yīng)前后氣體的體積發(fā)生變化，恒溫恒容下，改變初始各組分的物質(zhì)的量，平衡時(shí)各氣體的體積分?jǐn)?shù)與甲容器完全相同，則為完全等效平衡，起始時(shí)固體的量碳的量減小會(huì)影響參加反應(yīng)水的物質(zhì)的量，故按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，起始濃度相等，故滿足c（H₂O）=2mol/L，且n（C）：n（H₂O）≥1：2；
（3）利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱，并書寫熱化學(xué)方程式；
（4）①依據(jù)平衡常數(shù)隨溫度變化分析判斷，平衡常數(shù)只隨溫度變化，熵變依據(jù)反應(yīng)前后氣體體積變化分析；
②甲醚作為燃料電池的原料．甲醚在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，依據(jù)電極書寫方法寫出電極反應(yīng)；依據(jù)二甲醚通入的量計(jì)算物質(zhì)的量，結(jié)合電子守恒計(jì)算析出銅的質(zhì)量．

解答： 解：（1）平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，平衡常數(shù)中，分子為生成物，分母為反應(yīng)物，根據(jù)元素守恒可推知有碳反應(yīng)，所以該反應(yīng)的方程式為C（s）+2H₂O（g）?CO₂（g）+2H₂ （g），故答案為：C（s）+2H₂O（g）?CO₂（g）+2H₂ （g）；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量為3.2mol，則：
          C（s）+2H₂0（g）?C0₂（g）+2H₂（g）
開始（mol）：2      4        0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：1.6    3.2      1.6      3.2
平衡（mol）：0.4    0.8      1.6      3.2
平衡常數(shù)k=

c(CO2)c2(H2)

c2(H2O)

=

1.6 2 ×( 3.2 2 )2

( 0.8 2 )2

=12.8，
故答案為：12.8；
②3min內(nèi)水蒸氣的濃度變化量=氫氣的濃度變化量的一半=

1.2mol

1L

×

1

2

=0.6mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行，物質(zhì)的濃度降低，反應(yīng)速率較短，故前1.5min水的濃度變化量大于后1.5min水的濃度變化量，故反應(yīng)進(jìn)行到1.5min時(shí)，H₂O（g）的物質(zhì)的量濃度小于2mol/L-0.6mol/L=1.4mol/L，
故答案為：C；
③反應(yīng)前后氣體的體積發(fā)生變化，恒溫恒容下，改變初始各組分的物質(zhì)的量，平衡時(shí)各氣體的體積分?jǐn)?shù)與甲容器完全相同，則為完全等效平衡，起始時(shí)固體的量碳的量減小會(huì)影響參加反應(yīng)水的物質(zhì)的量，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，起始濃度相等，故滿足c（H₂O）=

4mol

2L

=2mol/L，且n（C）：n（H₂O）≥1：2，
A．按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，CO₂與H₂恰好轉(zhuǎn)化，則c（H₂O）=2mol/L，n（C）：n（H₂O）=（0.6mol+0.5mol）：（1mol+1mol）=1.1：2≥1：2，故A正確；
B．c（H₂O）=2mol/L，n（C）：n（H₂O）=0.6mol：2mol=0.6：2＜1：2，故B錯(cuò)誤；
C．按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，CO₂與H₂恰好轉(zhuǎn)化，則c（H₂O）=4mol/L≠2mol/L，故C錯(cuò)誤；
D．按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，CO₂與H₂恰好轉(zhuǎn)化，則c（H₂O）=2mol/L，n（C）：n（H₂O）=（0.2mol+0.75mol）：（0.5mol+1.5mol）=1：2，故D正確，
故答案為：AD；
（3）甲醇和氫氣的燃燒熱書寫其熱化學(xué)方程式分別為：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l），△H₁=-1451kJ/mol；
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l），△H₂=-571.6KJ/mol，
根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）
可以看成是方程式

3

2

×②-①×

1

2

；所以△H=×

3

2

（-571.6KJ/mol）-（-1451kJ/mol）×

1

2

=-131.9KJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-131.9KJ/mol；
（4）①依據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，平衡常數(shù)隨溫度升高減小，平衡逆向進(jìn)行，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，反應(yīng)前后是氣體體積減小的反應(yīng)△S＜0，
故答案為：＜；＜；
②若用甲醚作為燃料電池的原料，甲醚在負(fù)極失電子反應(yīng)氧化反應(yīng)，在堿性介質(zhì)中電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
若以1.12L?min^-1（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的速率向該電池中通入二甲醚，用該電池電解500mL 2mol?L^-1 CuS0₄溶液，通電0.50min后，通入二甲醚物質(zhì)的量=

1.12L/min×0.50min

22.4L/mol

=0.025mol；
依據(jù)電極反應(yīng)電子守恒，CH₃OCH₃～12e^-～6Cu²⁺
n（Cu²⁺）=0.025mol×6=0.15mol
m（Cu）=0.15mol×64g/mol=9.6g
理論上可析出金屬銅的質(zhì)量9.6g，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；9.6．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用，化學(xué)平衡常數(shù)的影響因素判斷，原電池、電解池的電極反應(yīng)書寫，原理應(yīng)用和電子守恒計(jì)算，題目難度較大．