Question

聯(lián)合國氣候變化大會2009年12月7日在丹麥首都哥本哈根拉開帷幕，降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了各國的普遍重視．工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇，298.15K時，CO₂、H₂、與CH₃OH、H₂O的平均能量與合成甲醇反應(yīng)的活化能的曲線圖如圖1所示，據(jù)圖回答問題：

（1）寫出合成甲醇反應(yīng)的熱化學(xué)方程式

 

；
（2）在圖中曲線

 

（填“a”或“b”）表示加入催化劑的能量變化曲線．
（3）在體積為l L的密閉容器中，充入lmolCO₂和3molH₂，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖2所示．
①從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=

 

mol/（L?min）．
②該反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

，升高溫度，K值

 

（填“增大”、“減小”或“不變”）．
③下列措施中能使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大的是

 

．
A．升高溫度              
B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離  
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（4）在載人航天器的生態(tài)系統(tǒng)中，不僅要求分離去除CO₂，還要求提供充足的O₂．某種電化學(xué)裝置可實現(xiàn)如下轉(zhuǎn)化：2CO₂═2CO+O₂，CO可用作燃料．已知該反應(yīng)的陽極反應(yīng)為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，則陰極反應(yīng)式為：

 

．
有人提出，可以設(shè)計反應(yīng)2CO═2C+O₂（△H＞0、△S＜0）來消除CO的污染．請你判斷是否可行并說出理由：

 

．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡的影響因素,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)能量守恒計算出反應(yīng)熱，再根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫解答；
（2）使用催化劑改變反應(yīng)歷程，降低該反應(yīng)的活化能，提高活化分子的百分數(shù)，化學(xué)反應(yīng)速率加快，不影響反應(yīng)熱；
（3）①根據(jù)圖表用三段式解題法計算出平衡時反應(yīng)混合物各組分的濃度，根據(jù)v=

△c

△t

計算v（H₂）；
②代入該反應(yīng)的平衡常數(shù)為k=

[H2O]?[CH3OH]

[CO2]?[H2]3

計算平衡常數(shù)，正反應(yīng)放熱，升溫時平衡逆向移動，K減小；
③在反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，只要使平衡正向移動，且甲醇增多、二氧化碳減少即可；
（4）陰極發(fā)生還原反應(yīng)，CO₂被還原生成CO，總反應(yīng)式減去陽極反應(yīng)式得陰極反應(yīng)式；根據(jù)△G的大小判斷反應(yīng)能否進行．

解答： 解：（1）由圖可知，反應(yīng)熱△H=-（n-m） kJ?mol^-1，熱化學(xué)反應(yīng)方程式為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-（n-m） kJ?mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-（n-m） kJ?mol^-1；
（2）催化劑改變反應(yīng)歷程，降低該反應(yīng)的活化能，反應(yīng)熱取決于反應(yīng)物與生成物的總能量，與途徑無關(guān)，不影響反應(yīng)熱，所以b線表示使用催化劑；催化劑改變反應(yīng)歷程，降低該反應(yīng)的活化能，提高活化分子的百分數(shù)，化學(xué)反應(yīng)速率加快，
故答案為：b；
（3）①利用三段式解題法計算
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
開始（mol/L）：1       3         0         0
變化（mol/L）：0.75   2.25     0.75      0.75
平衡（mol/L）：0.25   0.75     0.75      0.75
從反應(yīng)開始到平衡，甲醇的平均反應(yīng)速率v（CH₃OH）=

0.75mol/L

10min

=0.075 mol?L^-1?min^-1，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，v（H₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min），故答案為：0.225mol/（L?min）；
②平衡常數(shù)為k=

[H2O]?[CH3OH]

[CO2]?[H2]3

=

16

3

=5.33；正反應(yīng)放熱，升溫時平衡逆向移動，K減小，故答案為：5.33；減��；
③在反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，只要使平衡正向移動，且甲醇增多、二氧化碳減少即可，
A、升高溫度，平衡向吸熱的逆向移動，使

n(CH3OH)

n(CO2)

減小，故A錯誤；
B、充入He（g），使體系壓強增大，各氣體分壓不變，平衡不移動，故B錯誤；
C、將水從體系中分離，平衡正向移動且使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，故C正確；
D、再充入1mol CO₂和3mol H₂，導(dǎo)致容器中壓強增大，平衡正向移動，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，故D正確；
故選CD；
（4）總反應(yīng)式為2CO₂=2CO+O₂，陽極反應(yīng)為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，總反應(yīng)式減去陽極反應(yīng)式得陰極反應(yīng)式，所以陰極反應(yīng)為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，反應(yīng)2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0），則△G=△H-T?△S＞0，反應(yīng)是一個焓增、熵減的反應(yīng)，任何情況下不能自發(fā)進行；
故答案為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，該反應(yīng)是一個焓增、熵減的反應(yīng)，任何情況下不能自發(fā)進行．

點評：本題考查較為綜合，涉及反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、平衡移動以及電化學(xué)等知識，題目難度中等，注意把握影響平衡移動的因素以及平衡移動方向的判斷．