Question

【題目】二氧化碳的捕捉和利用是我國能源領域的一個重要戰略方向。

（1）工業上用CO2和H2反應合成二甲醚。已知：

CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－181.6 kJ·mol－1；

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－24.5 kJ·mol－1。

寫出CO2(g)和H2(g)轉化為CH3OCH3(g)和H2O(g)的熱化學方程式：________________________________________________________________________。

（2）在某壓強下，合成二甲醚的反應在不同溫度、不同投料比時，CO2的平衡轉化率如圖所示。T1溫度下，將6 mol CO2和12 mol H2充入2 L的密閉容器中，5 min后反應達到平衡狀態，則0～5 min內的平均反應速率v(CH3OCH3)＝______________________________；KA、KB、KC三者之間的大小關系為______________________________。

（3）若2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH＝－204.7 kJ·mol－1在恒溫恒壓下進行，以下敘述能說明該反應達到平衡狀態的是________(填序號)。

A．CO和H2的物質的量濃度之比是1∶2

B．CO的消耗速率等于CH3OCH3的生成速率的2倍

C．容器中混合氣體的體積保持不變

D．容器中混合氣體的平均摩爾質量保持不變

E．容器中混合氣體的密度保持不變

（4）如圖P是可自由平行滑動的活塞，關閉K，在相同溫度時，向A容器中充入1 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g)，向B容器中充入1.2 mol CH3OH(g)和2.4 mol H2O(g)，兩容器分別發生反應CH3OH(g)＋H2O(g)CO2(g)＋3H2(g)。已知起始時容器A和B的體積均為a L，反應達到平衡時容器B的體積為1.5a L，容器B中CH3OH轉化率為________；維持其他條件不變，若打開K一段時間后重新達到平衡，容器B的體積為________L(連通管中氣體體積忽略不計，且不考慮溫度的影響)。

（5）CO2溶于水形成H2CO3。已知常溫下H2CO3的電離平衡常數為K1＝4.4×10－7、K2＝4.7×10－11，NH3·H2O的電離平衡常數為K＝1.75×10－5。常溫下，用氨水吸收CO2可得到NH4HCO3溶液，NH4HCO3溶液顯________(填“酸性”“中性”或“堿性”)；請計算反應NH＋HCO＋H2ONH3·H2O＋H2CO3的平衡常數K＝________________________________________________________________________。

（6）工業上采用電化學還原CO2是一種使CO2資源化利用的方法，如圖是利用此法制備ZnC2O4的示意圖(電解液不參與反應)，下列說法正確的是____________。

A．Zn與電源的負極相連

B．ZnC2O4在交換膜右側生成

C．電解的總反應式為2CO2＋ZnZnC2O4

D．通入11.2 L CO2，轉移0.5 mol電子

Answer 1

【答案】 2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－387.7 kJ·mol－1 0.18 mol·L－1·min－1 KA＝KC>KB CDE 75% 1.75a 堿性 1.3×10－3 C

【解析】(1)設①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-181.6 kJ·mol-1，②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH2=-24.5 kJ·mol-1。根據蓋斯定律①×2+②可得到CO2(g)和H2(g)反應轉化為CH3OCH3(g)和H2O(g)的熱化學方程式為2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-387.7 kJ·mol-1。答案為：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－387.7 kJ·mol－1

(2)T1溫度下，將6molCO2和12 mol H2充入2 L的密閉容器中，由圖象可知，5 min后反應達到平衡狀態時，二氧化碳轉化率為60%，則生成CH3OCH3為6mol×60%×1/2=1.8 mol，所以平均反應速率v(CH3OCH3)=Δc/t=(1.8mol/2L)/5min=0.18mol·L-1·min-1；平衡常數僅與溫度有關，所以KA=KC，根據圖象知，在投料比相同時，T1溫度下二氧化碳轉化率大于T2溫度下的，則KA=KC>KB。答案為：0.18 mol·L－1·min－1 、KA＝KC>KB

(3)選項A，一氧化碳和氫氣的物質的量濃度比與反應物的初始量及轉化率有關，A錯誤；選項B，一氧化碳的消耗速率與甲醚的生成速率都屬于正反應速率，正反應速率之比等于計量數之比，不能說明反應達到平衡狀態，B錯誤；選項C，隨著反應進行混合氣體總物質的量減少，由于壓強不變，則氣體的體積減小，容器中混合氣體的體積保持不變，說明反應達到平衡狀態，C正確；選項D，氣體的總質量保持不變，氣體總物質的量減少，則氣體的平均摩爾質量逐漸增大，當容器中混合氣體的平均摩爾質量保持不變時，說明反應達到平衡狀態，D正確；選項E，氣體的總質量保持不變，氣體的體積減小，則密度增大，當容器中的混合氣體的密度保持不變時，說明反應達到平衡狀態，E正確。答案為：CDE

(4)B容器的體積變為原來的1.5倍，增加的氣體的物質的量為3.6mol×0.5=1.8mol，依據化學方程式可知，當氣體的物質的量增加2mol時，反應消耗甲醇1mol，故該反應消耗的甲醇的物質的量為0.9mol，CH3OH的轉化率=×100%=75%。打開K時，A、B組成一個等溫等壓體系，設打開K重新達到平衡后總的體積為xL，根據等效平衡原理得x∶(3+3.6)=1.5a∶3.6，求得x=2.75a，所以B的體積為2.75aL-aL=1.75aL。答案為：75% 、1.75a

(5)根據鹽類水解規律，已知NH3·H2O的電離平衡常數K=1.75×10-5，H2CO3的電離平衡常數K1=4.4×10-7，K2=4.7×10-11，碳酸氫根離子的水解程度大于NH4+的水解程度，故NH4HCO3溶液顯堿性；反應NH4+＋HCO3-＋H2ONH3·H2O＋H2CO3的平衡常數K===10-14/(1.75×10-5×4.4×10-7)=1.3×10-3。答案為：堿性、1.3×10－3

(6)A.該裝置是電解池，還原反應發生在陰極，則Pb極是陰極，與電源的負極相連，Zn與電源的正極相連，A錯誤；B.題圖中用的是陽離子交換膜，故生成的Zn2+可以移動到左側，故在左側生成ZnC2O4，B錯誤；C.陽極Zn失去電子生成Zn2+，陰極CO2得電子變為C2O42-,所以電解的總反應式為2CO2＋ZnZnC2O4，C正確；D.未指明氣體是在標準狀況下，D錯誤。答案選C.