Question

6．CO₂的轉換在生產、生活中具有重要的應用．
（1）CO₂的低碳轉型對抵御氣候變化具有重要意義，海洋是地球上碳元素最大的“吸收池”．
①溶于海水中的CO₂主要以四種無機碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃兩種分子外，還有兩種離子的化學式為HCO₃^-、CO₃^2-．
②在海洋碳循環(huán)中，可通過圖1所示的途徑固碳．寫出鈣化作用的離子方程式：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（2）將CO₂與金屬鈉組合設計成Na-CO₂電池，很容易實現可逆的充、放電反應，該電池反應為4Na+3CO₂ $?_{放電}^{放電}$2Na₂CO₃+C．放電時，在正極得電子的物質為CO₂；充電時，陽極的反應式為C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂．
（3）目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂和H₂在230℃并有催化劑條件下轉化生成甲醇蒸汽和水蒸氣．圖2表示恒壓容器中0.5molCO₂和1.5mol H₂轉化率達80%時的能量變化示意圖．能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的依據B、D（填字母）．

A．容器中壓強不變         B．H₂的體積分數不變
C．c（H₂=3c（CH₃OH）        D．容器中密度不變
E．2個C=O斷裂的同時有6個H-H斷裂
（4）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，進行反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如表三組數據：

實驗組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		達到平衡所 需時間/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①實驗2條件下平衡常數K=$\frac{1}{6}$．
②實驗3中，若平衡時，CO的轉化率大于水蒸氣，則a/b的值＜1    （填具體值或取值范圍）．
③實驗4，若900℃時，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均為1mol，則此時v（正＜v（逆）（填“＜”、“＞”或“=“）．
（5）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH（I）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（I）△H=-44.0kJ•mol^-1
寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）①溶于海水中的CO₂主要以四種無機碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃兩種分子外，還有兩種離子，分別為CO₃^2-和HCO₃^-；
②根據圖1的轉化方式分析，鈣化作用過程中，HCO₃^-通過鈣化作用生成CaCO₃，可知Ca²⁺與HCO₃^-在此反應中生成CaCO₃，據此寫出反應的離子方程式；
（2）電池反應為：4Na+3CO₂ $?_{放電}^{放電}$2Na₂CO₃+C，放電池，為原電池反應，原電池中正極物質得電子，發(fā)生還原反應，據此判斷，充電時，為電解池反應，陽極為物質失去電子，發(fā)生氧化反應，結合總反應式分析，據此寫出陽極的電極反應方程式；
（3）CO₂和H₂在230℃并有催化劑條件下轉化生成甲醇蒸汽和水蒸氣，反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）$?_{催化劑}^{230℃}$CH₃OH（g）+H₂O（g），反應為氣體數減少的反應，增大壓強有利于反應正向進行，根據能量變化圖，反應物能量高于生成物，則反應為放熱反應，降低溫度有利于反應正向進行，據此逐項分析判斷化學反應達到平衡的標志；
（4）①反應為CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反應的化學平衡常數為K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$，根據實驗2的數據，結合化學反應方程式計算平衡時各組分的物質的量濃度，代入平衡常數的表達式計算；
②實驗3中，若平衡時，CO的轉化率大于水蒸氣，CO和水蒸氣是按1：1反應進行的，增大其中一種反應物的量可以增大另一反應物的平衡轉化率，據此分析；
③溫度不變，平衡常數不變，根據此時的反應商J和平衡常數K的關系，判斷化學反應進行的方向，分析化學反應正逆速率的大小關系；
（5）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的化學方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），該反應可由已知焓變的熱化學方程式推導，根據蓋斯定律計算該反應的焓變．

解答 解：（1）①溶于海水中的CO₂主要以四種無機碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃兩種分子外，還有兩種離子，分別為CO₃^2-和HCO₃^-，
故答案為：HCO₃^-；CO₃^2-；
②根據圖1的轉化方式分析，鈣化作用過程中，HCO₃^-通過鈣化作用生成CaCO₃，可知Ca²⁺與HCO₃^-在此反應中生成CaCO₃，則反應的離子方程式為：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案為：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（2）電池反應為：4Na+3CO₂ $?_{放電}^{放電}$2Na₂CO₃+C，放電池，為原電池反應，原電池中正極物質得電子，發(fā)生還原反應，則放電時，在正極得電子的物質為CO₂，
充電時，為電解池反應，陽極為物質失去電子，發(fā)生氧化反應，根據總反應方程式，應為C失去電子，變成CO₂，則充電時，陽極的反應式為：C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂，
故答案為：CO₂；C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂；
（3）CO₂和H₂在230℃并有催化劑條件下轉化生成甲醇蒸汽和水蒸氣，反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）$?_{催化劑}^{230℃}$CH₃OH（g）+H₂O（g），反應為氣體數減少的反應，增大壓強有利于反應正向進行，根據能量變化圖，反應物能量高于生成物，則反應為放熱反應，降低溫度有利于反應正向進行，
A．反應在恒壓裝置中反應，整個反應過程體系壓強一直不變，不能根據壓強判斷化學反應是否達到平衡，故A不選；
B．隨著反應的進行，各組分的體積分數會改變，當H₂的體積分數不變時，可以判斷化學反應是否達到平衡，故B選；
C．平衡時，不一定具有關系c（H₂）=3c（CH₃OH），需根據具體的反應的初始的量來判斷，不可以判斷化學反應是否達到平衡，故C不選；
D．容器中混合氣體的密度為$ρ=\frac{m}{V}$，反應前后，根據質量守恒，m不變，反應為恒壓裝置，隨著反應的進行，氣體總體積會發(fā)生改變，當氣體總體積不變，也就是密度不變時，可以判斷化學反應是否達到平衡，故D選；
E.2個C=O斷裂的同時有6個H-H斷裂表明反應物CO₂和H₂均在參加反應，反應向正反應方向進行，不一定是化學反應已經達到平衡，不可以判斷化學反應是否達到平衡，故E不選，
故選BD；
（4））①反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反應的化學平衡常數為K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$，根據實驗2的數據，則平衡時，c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$=0.8mol/L，c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（H₂O）=$\frac{1mol-0.4mol}{2L}$=0.3mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L，則反應的平衡常數為K=$\frac{0.2mol/L×0.2mol/L}{0.3mol/L×0.8mol/L}$=$\frac{1}{6}$，
故答案為：$\frac{1}{6}$；
②實驗3中，若平衡時，CO的轉化率大于水蒸氣，CO和水蒸氣是按1：1反應進行的，增大其中一種反應物的量可以增大另一反應物的平衡轉化率，所以可判斷是增大了水蒸氣的量，則$\frac{a}$＜1，
故答案為：＜；
③溫度不變，平衡常數不變，根據實驗2，900℃時，體系中平衡時各組分的濃度為：c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$═0.8mol/L，c（H₂O）=$\frac{2mol-1.6mol}{2L}$=0.2mol/L，c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L，則反應的化學平衡常數為K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$=$\frac{1}{4}$，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均為1mol，則起始濃度為：c（CO）=c（H₂O）=c（CO₂）=c（H₂）=0.5mol/L，反應商為J=$\frac{0.5mol/L×0.5mol/L}{0.5mol/L×0.5mol/L}$=1＞K，則反應向逆反應方向移動，v（正）＜v（逆），
故答案為：＜；
（5）已知：①2CH₃OH（I）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol，
                  ②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol，
                  ③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol，
甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的化學方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），該反應可由$\frac{①-②}{2}+③×2$得到，根據蓋斯定律，該反應的焓變?yōu)椤鱄=$\frac{△{H}_{1}-△{H}_{2}}{2}+2△{H}_{3}$=-442.8kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ/mol．

點評 本題主要化學原理知識，包含離子方程式的書寫和配平，電極反應式的書寫，原電池和電解池的原理，化學平衡的移動，化學平衡常數的計算和簡單應用，熱化學方程式的書寫和蓋斯定律的應用，涉及的知識點較多，考查綜合能力，題目難度中等．