Question

4．增强环保意识．爱护环境是每个公民的职责．利用碳的氧化物合成甲醇等资源化利用对环境保护具有重要意义．请回答下列问题：
（1）溶于海水的CO₂有4种存在形式．其中HCO₃^-占95%，除上述两种形式外，碳的存在形式还有H₂CO₃、CO₃^2- （填微粒符号）；利用图1装置进行的实验中，a室的电极反应式为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．

（2）下列为合成甲醇的有关化学方程式
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）
③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
某温度下，上述三个反应的平衡常数数值分别为2.5，2.0和K₃，则K₃值为5.0．
（3）一定条件下，甲醇可同时发生：
A．2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃+H₂O（g）
B．2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）．
上述反应过程中能量变化如图2所示：
①写出反应速率较大的序号并说明原因A；该反应的活化能较小，在相同条件下反应速率较大．
②若在容器中加入催化剂，则E₂-E₁将不变〔填“变大”、“不变”或“变小”〕．
（4）一定温度时，容积相同的甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，按不同方式投入反应物，发生反应2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90kJ/mol，测得达平衡时的有关数据如下表：

容器		甲	乙	丙
起始反应物投入量		2molH2（g） 1molCO（g）	1mol CH3OH（g）	2mol CH3OH（g）
平衡	c（CH3OH）/mol/•L-1	c1	c2	c3
	反应的能量变化/KJ	Q1	Q2	Q3

①表中数据存在的关系为：|Q₁|+|Q₂|=90（填＞、=或＜，下同）．2c₂＜c₃．
②在温度不变、恒容条件下，该反应的平衡常数数值K_p=4.80×10^-2，若甲容器中反应达平衡状态时，p（CH₃OH）=24.0kPa，则平衡时，混合气体中CH₃OH的物质的量分数为61.5% （K_p是用平衡分压代替平衡浓度所得的平衡常数，分压=总压×物质的量分数）．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸为弱酸，部分电离生成碳酸氢根；a室接电源的正极，为阳极，水失去电子生成氧气和氢离子；
（2）将①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）与②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）两方程式相加，即K₃=K₁×K₂；
（3）①如图分析可知，反应的活化能越小反应速率越快；
②加入催化剂能降低反应的活化能，催化剂不改变反应物总能量与生成物总能量之差即反应热不变；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效为在乙的基础上增大压强，生成1molCH₃OH的能量变化为90kJ，甲、乙平衡状态相同，令平衡时甲醇为nmol，计算反应热数值：甲、乙处于相同的平衡状态，则：|Q₁|+|Q₂|=90kJ；比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动；
②由2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反应物投入量2mol H₂、l mol CO，设开始时氢气压强为2P，CO压强为P，列三段式，根据平衡常数Kp=4.80×10^-2，计算出平衡时的总压，最后根据CH₃OH的物质的量分数为$\frac{分压}{总压}$进行计算．

解答 解：（1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸为弱酸，部分电离生成碳酸氢根；a室发生氧化反应：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案为：H₂CO₃、CO₃^2-；2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
（2）将①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）与②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）两方程式相加得：③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），即K₃=K₁×K₂=2.5×2.0=5.0，
故答案为：5.0；
（3）①反应的活化能越小反应速率越快，在某密闭容器中，充人一定量CH₃OH（g）发生上述两个反应中反应A和B相比，反应A的活化能小、反应速率快，
故答案为：A；该反应的活化能较小，在相同条件下反应速率较大；
②加入催化剂改变了反应的途径，降低反应所需的活化能，所以E₁和E₂的变化是减小，催化剂不改变反应物总能量与生成物总能量之差即反应热不变，E₂-E₁的大小为反应的焓变，活化能大小对该反应的反应热无影响，
故答案：不变；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效为在乙的基础上增大压强，生成1molCH₃OH的能量变化为90kJ，甲、乙平衡状态相同，令平衡时甲醇为nmol，对于甲容器，|Q₁|═90n，等于乙容器|Q₂|=90（1-n），故|Q₁|+|Q₂|=90；
甲、乙处于相同的平衡状态，比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动，所以2c₂＜c₃，
故答案为：90；＜；
②由：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反应物投入量2mol H₂、l mol CO，设开始时氢气压强为2P，CO压强为P，
开始（kPa） 2P       P                  0
转化（kPa）48.0     24.0           24.0
平衡（kPa）2P-48    P-24         24
Kp=$\frac{24}{（2p-48）^{2}×（p-24）}$=4.80×10^-2，解得P=29.0kPa，则平衡混合气体中CH₃OH的物质的量分数为$\frac{分压}{总压}$=$\frac{24}{15+24}$×100%=61.5%，
故答案为：61.5%．

点评 本题考查化学平衡计算，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确各个物理量关系及变化是解本题关键，注意（4）题等效平衡构建，为易错点及难点．平衡常数的相关计算，难度较大．