Question

【題目】碳及其化合物在化工生產中有著廣泛的應用。

I．為解決大氣中CO2的含量增大的問題，某科學家提出如下構想：把工廠排出的富含CO2的廢氣經凈化吹入碳酸鉀溶液吸收，然后再把CO2從溶液中提取出來，在合成塔中經化學反應使廢氣中的CO2轉變為燃料甲醇。部分技術流程如下:

⑴合成塔中反應的化學方程式為_________；△H<0。該反應為可逆反應，從平衡移動原理分析，低溫有利于提高原料氣的平衡轉化率。而實際生產中采用300℃的溫度，除考慮溫度對反應速率的影響外，還主要考慮了_____。

(2)從合成塔分離出甲醇的原理與下列_______操作的原理比較相符(填字母）

A.過濾 B.分液 C.蒸餾 D.結晶

(3)如將CO2與H2以1:4的體積比混合，在適當的條件下可制得CH4。寫出CO2(g)與H2(g)反應生CH4(g)與液態水的熱化學方程式_____。

已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol

II．某興趣小組模擬工業合成甲醇的反應:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在容積固定為2L的密閉容器中充入1mol CO和2mol H2，加入合適的催化劑（催化劑體積忽略不計）后開始反應。測得容器內的壓強隨時間變化如下:

時間/min	0	5	10	15	20	25
壓強/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

(1)從反應開始到20min時，以CO表示反應速率為________。

(2)下列描述能說明反應達到平衡的是_______

A.裝置內氣體顏色不再改變 B.容器內氣體的平均摩爾質量保持不變

C.容器內氣體的壓強保持不變 D.容器內氣體密度保持不變

(3)該溫度下平衡常數K=_______，若達到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時平衡常數K值將_________ (填“增大”、“減小”或“不變”)

(4)該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO和2mol H2，此時CO的轉化率將_____(填“增大”、“減小”或“不變”)

Ⅲ. 人類活動產生的CO2長期積累，威脅到生態環境，其減排問題受到全世界關注。工業上常用高濃度的K2CO3溶液吸收CO2，得溶液X，再利用電解法使K2CO3溶液再生，其裝置示意圖如下：

①在陽極區發生的反應包括_________和H＋＋HCO===H2O＋CO2↑。

②簡述CO32-在陰極區再生的原理：______。

Answer 1

【答案】CO2+3H2CH3OH+H2O 催化劑的催化活性 C CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol 0.0125mol·L-1·min-1 BC 4 不變 增大 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ HCO3-存在電離平衡：HCO3-H＋＋CO32-，陰極H＋放電濃度減小平衡右移，CO32-再生

【解析】

I．(1)根據工藝流程可知，合成塔內反應是氫氣與二氧化碳反應生成甲醇和水；工業生產條件選擇要考慮轉化率、反應速率、對催化劑的影響、材料、成本等多方面綜合考慮；

(2)從合成塔出來的主要為甲醇與水的混合液，甲醇與水互溶，沸點相差大；

(3)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H1=-890.3kJ/mol，②2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)△H2=-571.6kJ/mol，根據蓋斯定律書寫熱化學方程式；

II．(1)從反應開始到20min時，設CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　　　　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　　　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　　 x

根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，從反應開始到20min時，以CO表示的平均反應速率v=；

(2)反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發生變化，以及其它物理量的變化情況，可由此進行判斷；

(3)平衡常數是利用平衡狀態下生成物濃度冪次方乘積除以反應物濃度的冪次方乘積得到；平衡常數隨溫度變化；

(4)該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO 2mol H2，相當于增大平衡壓強，平衡向氣體體積減小的方向進行；

III．①陽極上氫氧根離子放電生成氧氣；

②碳酸氫根離子存在電離平衡、氫氧根離子和碳酸氫根離子反應生成碳酸根離子。

I．(1)合成塔反應是二氧化碳和氫氣在一定條件下可生成甲醇和水，其方程式為CO2+3H2CH3OH+H2O，溫度影響催化劑的活性，除考慮溫度對反應速率的影響外，還主要考慮催化劑的催化活性；

(2)從合成塔出來的主要為甲醇與水的混合液，甲醇與水互溶，沸點相差大，可用蒸餾的方法分離，故答案為C；

(3)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H1=-890.3kJ/mol，②2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)△H2=-571.6kJ/mol，根據蓋斯定律②×2-①得CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(l)△H=(-571.6kJ/mol)×2-(-890.3kJ/mol)=-252.9kJ/mol，則CO2(g)與H2(g)反應生CH4(g)與液態水的熱化學方程式為CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol；

II．(1)從反應開始到20min時，設CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　　　　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　　　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　　 x

根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，從反應開始到20min時，CO表示的平均反應速率v===0.0125 mol·L-1·min-1；

(2)反應是氣體體積減小的放熱反應，依據平衡移動原理分析判斷；

A．裝置內氣體為無色，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤；

B．容器內氣體的平均相對分子質量數值上等于氣體的平均摩爾質量等于總質量除以總物質的量，質量是守恒的保持不變，但是n變化，當氣體的平均摩爾質量不變了，證明達到平衡，故B正確；

C．反應是前后氣體體積變化的反應，容器中氣體的壓強保持不變，證明達到了平衡，故C正確；

D．該反應在恒容條件下進行，反應前后氣體質量守恒，所以反應過程中密度始終保持不變，所以密度不變不能說明反應達到平衡狀態，故D錯誤；

故答案為BC；

(3)從反應開始到20min時，設CO的濃度變化量是x，

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

初始濃度(mol/L)：0.5 1 　 0

變化濃度(mol/L)：x 2x 　 x

平衡濃度(mol/L)：0.5-x 1-2x 　 x

根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則=，解得x=0.25mol/L，K==4，平衡常數隋文帝變化，若達到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時平衡常數K值將不變；

(4)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO、2molH2，相當于增大平衡壓強，平衡正向進行，CO的轉化率將增大。

III．①陽極上氫氧根離子放電生成氧氣和水，電極反應式為4OH--4e-═2H2O+O2↑；

②HCO3-存在電離平衡：HCO3-H++CO32-，陰極H+放電濃度減小平衡右移，CO32-再生；陰極H+放電OH-濃度增大，OH-與HCO3-反應生成CO32-，CO32-再生。