Question

“低碳循環”引起各國的高度重視，而如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發利用CO₂，引起了全世界的普遍重視。所以“低碳經濟”正成為科學家研究的主要課題。
（1）寫出CO₂與H₂反應生成CH₄和H₂O的熱化學方程式                    。
已知： ① CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)    ΔH＝－41kJ·mol^－1
② C(s)+2H₂(g)CH₄(g)            ΔH＝－73kJ·mol^－1
③ 2CO(g)C(s)+CO₂(g)          ΔH＝－171kJ·mol^－1
（2）將燃煤廢氣中的CO₂轉化為二甲醚的反應原理為：2CO₂(g) + 6H₂(g)CH₃OCH₃(g) + 3H₂O(g)。已知一定條件下，該反應中CO₂的平衡轉化率隨溫度、投料比[n(H₂) / n(CO₂)]的變化曲線如下左圖：
①在其他條件不變時，請在上圖中畫出平衡時CH₃OCH₃的體積分數隨投料比[n(H₂) / n(CO₂)]變化的曲線圖。

②某溫度下，將2.0molCO₂(g)和6.0molH₂(g)充入容積為2L的密閉容器中，反應到達平衡時，改變壓強和溫度，平衡體系中CH₃OCH₃(g)的物質的量分數變化情況如圖所示，關于溫度和壓強的關系判斷正確的是            ；

A. P₃＞P₂，T₃＞T₂        B. P₁＞P₃，T₁＞T₃   C. P₂＞P₄，T₄＞T₂        D. P₁＞P₄，T₂＞T₃
③在恒容密閉容器里按體積比為1:3充入二氧化碳和氫 氣，一定條件下反應達到平衡狀態。當改變反應的某一個條件后，下列變化能說明平衡一定向逆反應方向移動的是      ；
A. 正反應速率先增大后減小
B. 逆反應速率先增大后減小
C. 化學平衡常數K值增大
D. 反應物的體積百分含量增大
E. 混合氣體的密度減小
F. 氫氣的轉化率減小
（3）最近科學家再次提出“綠色化學”構想：把空氣吹入碳酸鉀溶液，然后再把CO₂從溶液中提取出來，經化學反應后使空氣中的CO₂轉變為可再生燃料甲醇。甲醇可制作燃料電池，寫出以稀硫酸為電解質甲醇燃料電池負極反應式__                             。以此燃料電池作為外接電源按圖所示電解硫酸銅溶液，如果起始時盛有1000mL pH＝5的硫酸銅溶液（25℃，CuSO₄足量），一段時間后溶液的pH變為1，此時可觀察到的現象是                     ；若要使溶液恢復到起始濃度（溫度不變，忽略溶液體積的變化），可向溶液中加入      （填物質名稱），其質量約為   g。

Answer 1

（1）CO₂(g)+4H₂(g)CH₄(g)+2H₂O(g)    ΔH＝－162kJ·mol^－1  （2分）
(2) ①畫圖（見圖）（2分）

②BD （2分）     ③ B  （2分）
（3）CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺  （2分）石墨電極表面有氣泡產生，鐵電極上附著一層紅色物質，溶液顏色變淺（3分，按3個現象給分），氧化銅（或碳酸銅）（1分），4g（或6.2g）（1分）

試題分析：（1）已知：① CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)  ΔH＝－41kJ·mol^－1、② C(s)+2H₂(g)CH₄(g)  ΔH＝－73kJ·mol^－1、③ 2CO(g)C(s)+CO₂(g) ΔH＝－171kJ·mol^－1，則根據蓋斯定律可知，③－①×2+②即得到CO₂與H₂反應生成CH₄和H₂O的熱化學方程式O₂(g)+4H₂(g)CH₄(g)+2H₂O(g)    ΔH＝－162kJ·mol^－1。
（2）①根據圖像可知CO₂的平衡轉化率在溫度一定的條件下隨投料比的增大而增大。根據方程式可知投料比＝3時生成物的含量最高，所以雖然CO₂的平衡轉化率在溫度一定的條件下隨投料比的增大而增大，但二甲醚的體積分數只有在投料比＝3時最大，所以圖像可以表示為見答案。
②對于反應：2CO₂(g) + 6H₂(g)CH₃OCH₃(g) + 3H₂O(g)，增大壓強，平衡向正反應方向移動，則二甲醚的物質的量分數越大；升高溫度二氧化碳的轉化率降低，說明正方應是放熱反應，即升高溫度平衡向逆反應方向移動，二甲醚的物質的量分數越小，所以P₁＞P₂＞P₃＞P₄，T₁＞T₂＞T₃＞T₄，答案選BD。
③A.正反應速率先增大后減小，說明反應向正反應方向移動，A不正確；B. 逆反應速率先增大后減小，說明反應向逆反應方向移動，B正確；C.化學平衡常數K值增大說明平衡向正反應方向移動，C不正確；D. 反應物的體積百分含量增大說明反應向正反應方向移動，D不正確；E. 密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，因此混合氣體的密度始終不變，E不正確；         F. 氫氣的轉化率減小，但平衡不一定向逆反應方向移動，例如通入氫氣，氫氣的轉化率也較低，F不正確，答案選B。
（3）原電池中負極失去電子發生氧化反應，則以稀硫酸為電解質甲醇燃料電池中甲醇在負極通入，負極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺；根據裝置圖可知，石墨是陽極，溶液中的OH^－放電放出氧氣。鐵是正極，溶液中的銅離子放電析出銅，所以實驗現象是石墨電極表面有氣泡產生，鐵電極上附著一層紅色物質，溶液顏色變淺；電解產物是氧氣、銅和稀硫酸，所以若要使溶液恢復到起始濃度（溫度不變，忽略溶液體積的變化），可向溶液中加入氧化銅或碳酸銅。溶液中氫離子的物質的量是0.1mol/L×1L＝0.1mol，則根據方程式2CuSO₄＋2H₂O2H₂SO₄＋2Cu＋O₂↑可知，需要氧化銅的物質的量是0.1mol÷2＝0.05mol，質量是0.05mol×80g/mol＝4.0g。而碳酸銅的質量則是0.05mol×124/mol＝6.2g。