Question

工业上可以利用废气中的CO₂为原料制取甲醇。请回答下列问题：

(1)  已知常温常压下，下列两个可逆反应的能量变化如下图所示：

请写出左图反应的平衡常数表达式K=                      。

请写出由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式                     。

(2) 如果只改变一个条件使上述反应方程式的平衡常数K值变大，则该反应________(选填编号)。

A．一定向正反应方向移动                   B．在平衡移动时，正反应速率先增大后减小

C．一定向逆反应方向移动                   D．在平衡移动时，逆反应速率先减小后增大

(3) 在其他条件不变的情况下，将容器体积压缩到原来的1/2，与原平衡相比，下列有关说法正确的是________(填字母)。

A．H₂的浓度减小                            B．正反应速率加快，逆反应速率也加快

C．甲醇的物质的量增加                      D．重新平衡时，n(H₂)/n(CH₃OH)增大

(4) 保持温度和体积不变，通入1molCO₂和3molH₂，下列能说明该反应已达平衡状态的是________(填字母)。

A．n(CO₂)∶n(H₂)∶n(CH₃OH)∶n(H₂O)＝1∶3∶1∶1

B．容器内压强保持不变

C．H₂的消耗速率与CO₂的消耗速率之比为3∶1

D．容器内气体的平均相对分子质量保持不变

(5) 若反应容器的容积为2.0 L，反应时间4.0 min，容器内气体的密度减少了2.0 g·L^-1。在这段时间内CO₂的平均反应速率为_______________

(6) 有人设计甲醇-空气燃料电池电源，用石墨作电极电解200 mL含有下列离子的溶液：

离子	Cu^2^+	H^+	Cl^-	SO
c/(mol·L^-^1)	0.5	2	2	0.5

电解一段时间后，标况下当两极收集到相同体积的气体时，阳极上收集到氧气的质量为____________(忽略溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象)。也有人用此电源利用电解法制备Na₂FeO₄，阳极材料为铁，其电解质溶液用NaOH溶液，阳极反应式为                          。

Answer

(1)K=；CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH＝-50kJ·mol-1；

(2)AD；(3)BC；(4)BD；(5)0.01mol·(L·min)-1；

(6)3.2g；Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O

【解析】

试题分析：(1)图1中的热化学方程式为①CO(g)+H2O(l)=CO2(g)+H2(g)△H=-41kJ/mol，平衡常数表达式为K=；②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l)△H=-(510-419)kJ/mol=-91KJ/mol，由②-①得：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l)△H=-50KJ/mol；

(2)如果反应方程式CO2+3H2⇌CH3OH+H2O的平衡常数K值变大，则需要降低温度，A．降低温度，平衡一定向正反应方向移动，故A正确；B．降低温度后，正逆反应速率都减小，正反应速率在达到平衡前始终在减小，故B错误；C．平衡常数变大，反应物浓度减小，生成物浓度增大，则化学平衡一定向正反应方向移动，故C错误；D．化学平衡常数变大，需要降低温度，则正逆反应速率都减小，由于平衡向着正向移动，则逆反应速率先减小后增大，故D正确；故答案为：AD；

(3) 根据CO2+3H2⇌CH3OH+H2O，在其他条件不变的情况下，将容器体积压缩到原来的1/2，压强增大，平衡正向移动，所有物质的浓度均增大，A．H2的浓度增大，错误；B．增大压强，反应速率加快，正反应速率加快，逆反应速率也加快，正确；C．平衡正向移动，甲醇的物质的量增加，正确；D．平衡正向移动，重新平衡时，n(H2)/n(CH3OH)减小，错误；故选BC；

(4) A．平衡时，各物质的浓度不变，但n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶3∶1∶1不表示物质的量不变，不能表示已达平衡状态，错误；B．该反应属于气体的物质的量发生变化的反应，容器内压强保持不变，说明物质的量不变，能够说明已达平衡状态，正确；C．H2的消耗速率与CO2的消耗速率都表示正反应速率，不能表示已达平衡状态，错误；D容器内气体的质量不变，物质的量发生变化，因此容器内气体的平均相对分子质量保持不变，能够说明已达平衡状态，正确；故选BD；

(5) 若反应的容器容积为2.0L，反应时间4.0min，容器内气体的密度减小了2.0g/L，则气体减小的质量为：2.0g/L×2.0L=4.0g，

CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l) 气体减少质量△m

1mol 50

n 4.0g

反应消耗的二氧化碳的物质的量为：n==0.08mol，

在4min内C02的平均反应速率为：=0.01mol．L-1．min-1，故答案为：0.01 mol·(L·min)-1；

(6) 电解过程中，开始阴极是Cu2+放电生成Cu，没有气体生成，阳极是Cl-放电生成Cl2，电解一段时间后，标况下当两极收集到相同体积的气体，说明阳极上氢离子放电生成H2，由于氢离子、氯离子浓度相等，则二者物质的量相等，等量的氢离子、氯离子放电生成氢气、氯气体积相等，根据电子转移守恒，氯离子放电完毕时，氢离子有剩余，二者最终两极生成氢气体积相等，故阳极上氯离子放电完毕，且氢氧根离子放电，溶液中含有n(Cu2+)=0.5mol/L×0.2L=0.1mol，n(Cl-)=2mol/L×0.2L=0.4mol，根据氯原子守恒可知生成氯气为0.2mol，设生成氧气为x mol，则生成氢气为(x+0.2)mol，根据电子转移守恒：0.1mol×2+(x+0.2)mol×2=0.2mol×2+x mol×4，解得x=0.1，故生成氧气的质量为0.1mol×32g/mol=3.2g，用此电源利用电解法制备Na2FeO4，阳极材料为铁，其电解质溶液用NaOH溶液，阳极反应式为Fe-6e-+ 8OH-= FeO42-+ 4H2O，故答案为：3.2 g；Fe-6e-+ 8OH-= FeO42-+ 4H2O

【考点定位】考查盖斯定律及其应用、化学反应速率的计算、化学平衡的移动、电解原理及其计算

【名师点晴】本题考查化学反应速率计算、化学平衡计算、化学平衡影响因素、电极反应式书写、电解有关计算，(6)中关键是判断发生的反应，注意利用电子转移守恒解答，是本题的难点。电解过程中，开始阴极是Cu2+放电生成Cu，没有气体生成，阳极是Cl-放电生成Cl2，电解一段时间后，标况下当两极收集到相同体积的气体，说明阳极上氢离子放电生成H2，由于氢离子、氯离子浓度相等，则二者物质的量相等，等量的氢离子、氯离子放电生成氢气、氯气体积相等，根据电子转移守恒，氯离子放电完毕时，氢离子有剩余，二者最终两极生成氢气体积相等，故阳极上氯离子放电完毕，且氢氧根离子放电，根据根据电子转移守恒计算生成氧气物质的量。