Question

随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．
（1）目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，在500℃下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．
①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=

 

；
②该反应的平衡常数K为

 

（精确到小数点后两位）．若提高温度到800℃进行达平衡时，K值

 

，n（CH₃OH）/n（CO₂）比值

 

（以上两空填“增大”、“减小”或“不变”）；
③平衡时CH₃OH的体积分数ω为

 

；
④若在相同条件下，起始时加入物质的量为：a mol CO₂、bmol H₂和c molCH₃OH、c mol H₂O，达平衡后，CH₃OH的体积分数仍为ω．则a、b、c的关系为

 

．
（2）在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离去除CO₂，还要求提供充足的O₂．某种电化学装置可实现如下转化：2CO₂=2CO+O₂，CO可用作燃料．已知该反应的阳极反应为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，则阴极反应式为

 

．

Answer 1

考点：物质的量或浓度随时间的变化曲线

专题：化学平衡专题

分析：（1）①根据三段式计算出反应混合物各组分的浓度变化量、平衡时的浓度，根据v=

△c

△t

计算出v（H₂）；
②平衡常数等于生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比值；升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小；CH₃OH减少，CO₂增多；
③根据平衡时各组分的浓度进行计算；
④根据等效平衡进行分析计算；
（2）阴极发生还原反应，CO₂被还原生成CO，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式．

解答： 解：（1）①根据三段式可知，
                   CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：1       3            0         0
变化（mol/L）：0.75    2.25         0.75      0.75
平衡（mol/L）：0.25    0.75         0.75      0.75
从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=

2.25mol/L

10min

=0.225mol/（L．min），
故答案为：0.225mol/（L．min）；
②由①可知平衡时各组分的浓度，所以k=

c(CH3OH)?c(H2O)

c(CO2)?c3(H2)

=

0.75×0.75

0.25×0.753

=5.33，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，CH₃OH减少，CO₂增多，n（CH₃OH）/n（CO₂）比值减小，
故答案为：5.33；减小；减小；
③由①可知平衡时各组分的浓度，所以平衡时CH₃OH的体积分数ω为：

0.75

0.25+0.75+0.75+0.75

×100%=30%，故答案为：30%；
④CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始时加入物质的量为：a mol CO₂、bmol H₂和c molCH₃OH、c mol H₂O，相当于起始加入（a+c）mol CO₂、（b+3c）mol H₂，恒温恒容，反应前后气体的化学计量数之和不等，达平衡后，CH₃OH的体积分数仍为ω，说明与原平衡是等效平衡，平衡时各组分的物质的量与原平衡相等，即（a+c）=1，（b+3c）=3，
故答案为：a+c=1，b+3c=3；
（2）总反应式为2CO₂=2CO+O₂，阳极反应为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式，所以阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，
故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．

点评：该题考查化学反应速率和平衡常数的计算、化学平衡的移动、等效平衡、电极反应式的书写等，难度较大，注意等效平衡的条件．