Question

16．由碳的氧化物直接合成乙醇燃料已進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)．
（1）如采取以CO和H₂為原料合成乙醇，化學(xué)反應(yīng)方程式：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H；若密閉容器中充有10mol CO與20mol H₂，在催化劑作用下反應(yīng)生成乙醇，CO的轉(zhuǎn)化率（α）與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示．

已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
①△H=-300kJ•mol^-1
②若A、C兩點(diǎn)都表示達(dá)到的平衡狀態(tài)，則從反應(yīng)開始到達(dá)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間t_A＞t_C（填“＞”、“＜”或“﹦”）．
③若A、B兩點(diǎn)表示在某時(shí)刻達(dá)到的平衡狀態(tài)，此時(shí)在A點(diǎn)時(shí)容器的體積為10L，則該溫度下的平衡常數(shù)：K=0.25L⁴•mol^-4；
④熔融碳酸鹽燃料電池（MCFS），是用煤氣（CO+H₂）格負(fù)極燃?xì)�，空氣與CO₂的混合氣為正極助燃?xì)�，用一定比例Li₂CO₃和Na₂CO₃低熔混合物為電解質(zhì)，以金屬鎳（燃料極）為催化劑制成的．負(fù)極上CO反應(yīng)的電極反應(yīng)式為CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂．
（2）工業(yè)上還可以采取以CO₂和H₂為原料合成乙醇，并且更被化學(xué)工作者推崇，但是在相同條件下，由CO制取CH₃CH₂OH的平衡常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由CO₂制取CH₃CH₂OH 的平衡常數(shù)．請推測化學(xué)工作者認(rèn)可由CO₂制取CH₃CH₂OH的優(yōu)點(diǎn)主要是：原料易得、原料無污染、可以減輕溫室效應(yīng)等．
（3）目前工業(yè)上也可以用CO₂來生產(chǎn)甲醇．一定條件下發(fā)生反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．若將6mol CO₂和8mol H₂充入2L的密閉容器中，測得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示（實(shí)線）．
①請?jiān)诖痤}卷圖中繪出甲醇的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化曲線．
②僅改變某一實(shí)驗(yàn)條件再進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，測得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖中虛線所示，曲線I對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變是升高溫度，曲線Ⅱ?qū)��?yīng)的實(shí)驗(yàn)條件改變是增大壓強(qiáng)．
（4）將標(biāo)準(zhǔn)狀況下4.48L CO₂通入1L 0.3mol•L^-1NaOH溶液中完全反應(yīng)，所得溶液中微粒濃度關(guān)系正確的是
A．c（Na⁺）=c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）+c（H₂CO₃）
B．c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（H₂CO₃）+c（H⁺）
C．c（Na⁺）+c（H⁺）=c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-）+c（OH^-）
D．2c（Na⁺）=3c（HCO₃^-）+3c（CO₃^2-）+3c（H₂CO₃）

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ、2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
Ⅱ、2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
Ⅲ、CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
Ⅳ、H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
由蓋斯定律Ⅰ+2×Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ可得2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g），據(jù)此計(jì)算；
②溫度越高，反應(yīng)速率越大，反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間越短；
③根據(jù)三段式求出平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算得到答案；
④原電池負(fù)極得電子發(fā)生氧化反應(yīng)，再結(jié)合介質(zhì)寫電極反應(yīng)式；
（2）二氧化碳的含量較大且易獲取，二氧化碳減少能減輕對環(huán)境的影響；
（3））①隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲醇的物質(zhì)的量逐漸增大，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，參加反應(yīng)的氫氣物質(zhì)的量=（8-2）mol=6mol，再計(jì)算生成甲醇的物質(zhì)的量；
②I達(dá)到平衡的時(shí)間縮短，說明反應(yīng)速率增大，但氫氣的轉(zhuǎn)化率減小，說明改變條件抑制平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；Ⅱ達(dá)到平衡的時(shí)間縮短，說明反應(yīng)速率增大，且氫氣的轉(zhuǎn)化率增大，說明改變條件促進(jìn)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（4）該溶液是0.2mol二氧化碳與0.3mol的氫氧化鈉反應(yīng)，最終是0.1mol碳酸鈉與0.1mol碳酸氫鈉的混合溶液，再結(jié)合三大守恒判斷．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ、2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566kJ•mol^-1
Ⅱ、2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H₂=-572kJ•mol^-1
Ⅲ、CH₃CH₂OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（g）△H₃=-1366kJ•mol^-1
Ⅳ、H₂O（g）═H₂O（l）△H₄=-44kJ•mol^-1
由蓋斯定律Ⅰ+2×Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ可得2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-566kJ•mol^-1；
故答案為：-300；
②A的溫度小于C點(diǎn)，溫度越高，反應(yīng)速率越大，則反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間越短，所以t_A大于t_C；
故答案為：＞；
③2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）
起始濃度（mol/L） 1     2          0        0
轉(zhuǎn)化濃度（mol/L）0.5    1.0       0.25    0.25
平衡濃度（mol/L）0.5    1.0       0.25    0.25
根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)是在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值可知，該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.25×0.25}{0．{5}^{2}×1．{0}^{4}}$=0.25L⁴•mol^-4；
故答案為：0.25L⁴•mol^-4；
④CO在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂，電極反應(yīng)式為：CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂；
CO-2e^-+CO₃^2-═2CO₂；
（2）原料易得、原料無污染、可以減輕溫室效應(yīng)等（1 分）
（3）①根據(jù)圖象可知平衡時(shí)氫氣的物質(zhì)的量是2mol，消耗氫氣的物質(zhì)的量是8mol-2mol=6mol，平衡時(shí)生成甲醇的物質(zhì)的量是$\frac{1}{2}$×6mol=2mol，因此圖象可表示為：
故答案為：；
②根據(jù)圖象知，I反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間縮短，說明反應(yīng)速率增大，但氫氣的轉(zhuǎn)化率減小，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則改變的條件是升高溫度；II反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間縮短，說明反應(yīng)速率增大，且氫氣的轉(zhuǎn)化率增大，說明改變條件促進(jìn)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則改變的條件是增大壓強(qiáng)；
故答案為：升高溫度；增大壓強(qiáng)；
（4）該溶液是0.2mol二氧化碳與0.3mol的氫氧化鈉反應(yīng)，發(fā)生的反應(yīng)為CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O，二氧化碳剩余，氫氧化鈉充分反應(yīng)生成0.15mol的碳酸鈉，剩余的0.05mol二氧化碳與碳酸鈉反應(yīng)：Na₂CO₃+H₂O+CO₂=2NaHCO₃，則Na₂CO₃剩余0.1mol，生成NaHCO₃0.1mol，即混合溶液為等量的碳酸鈉與碳酸氫鈉：
A、根據(jù)電荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），而C（H⁺）≤C（CO₃^2-），故A錯(cuò)誤；
B、根據(jù)電荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），故B錯(cuò)誤；
C、根據(jù)電荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-），故C正確；
D、電荷守恒可知：C（Na⁺）+C（H⁺）=2C（CO₃^2-）+C（HCO₃^-）+C（OH^-）…①，物料守恒可知：2C（Na⁺）=3[C（HCO₃^-）+C（CO₃^2-）+C（H₂CO₃）…②，將①代入②得：C（CO₃^2-）+2C（OH^-）=3C（H₂CO₃）+C（HCO₃^-）+2C（H⁺），故D正確；
故答案為：CD．

點(diǎn)評 本題考查學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算、化學(xué)平衡影響因素、化學(xué)平衡常數(shù)及其計(jì)算、離子濃度大小的比較，掌握三大守恒和正確分析圖象中曲線變化是解本題關(guān)鍵，再結(jié)合物質(zhì)的性質(zhì)、外界條件對化學(xué)平衡的影響等知識點(diǎn)來分析解答；題目難度中等．