Question

17．研究表明丰富的CO₂完全可以作为新能源，解决当前应用最广泛的碳源（石油和天然气）到本世纪中叶将枯竭的危机，同时又可缓解由CO₂累积所产生的温室效应，实现CO₂的良性循环．
（1）目前工业上有一种方法是用CO₂和H₂在230℃催化剂条件下生成甲醇蒸气和水蒸气．图表示恒压容器中0.5molCO₂和1.5molH₂转化率达80%时的能量变化示意图．
①能判断该反应向正反应方向进行的是：B
A．v_正（H₂）=3v_逆（CH₃OH）
B．容器中混合气体的密度变大
C．容器中压强不变
D.2个C=O断裂的同时有6个H-H形成
②上述反应其他条件保持不变，在恒容条件下进行，平衡时H₂的转化率将变小（填“变大”“变小”或“不变”）
③写出上述反应的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ•mol^-1
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度℃	起始量mol		平衡量mol		达平衡所需时间min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①该反应的△H＜ 0（填“＜”“＞”或“=”）
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，则a/b的值：$\frac{1}{6}$（填具体值或取值范围）
③实验4，若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为2mol，则此时v_正＜v_逆（填“＜”“＞”或“=”）
（3）甲醇在一定条件下能转化为甲醛，碘量滴定法是测定甲醛的化学方法之一，其原理是在碱性介质（NaOH）中，碘转化为次碘酸钠和碘化钠，后将溶液中游离的甲醛氧化为甲酸钠，经适当酸化后，剩余的次碘酸钠和碘化钠又生成碘，上述过程中甲醛参与的化学反应的离子方程式为：HCHO+IO^-+OH^-=HCOO^-+I^-+H₂O．

Answer 1

分析 （1）由反应方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知；
①A．v_正（H₂）=3v_正（CH₃OH）=3v_逆（CH₃OH），达平衡状态；
B．容器中混合气体的密度变大，说明平均摩尔质量变大，平衡正向移动；
C．容器中压强不变，说明各物质的量不变，反应达平衡状态；
D.2个C=O断裂的同时有6个H-H生成，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态；
②上述反应其他条件保持不变，在恒容条件下进行，相当在恒压的基础上减小压强，平衡逆向移动，H₂的转化率将变小；
③根据图1可知0.5mol CO₂和1.5mol H₂转化率达80%时放热23-3.4=19.6KJ，然后按比例计算：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的△H得出该反应的热化学方程式；
（2）①650℃时，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
   开始（mol）：4       2        0        0
   转化（mol）：1.6     1.6      1.6     1.6  
   平衡（mol）：2.4     0.4      1.6     1.6
所以K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.67；
900℃时，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：2       1        0       0
转化（mol）：0.4     0.4      0.4     0.4
平衡（mol）：1.6     0.6      0.4     0.4
由于反应前后气体的体积不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，故平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{1.6×0.6}$=$\frac{1}{6}$，平衡常数减小，说明正反应是放热反应；
②根据方程式可知，参加反应CO、水的物质的量相等，结合CO的转化率大于水蒸气的转化率判断；
③利用三段式计算平衡时各组分物质的量，由于反应前后气体的体积不变，用物质的量代替浓度代入平衡常数表达式K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$计算，由于反应前后气体的体积不变，用物质的量代替浓度计算产生的浓度商Qc，与平衡常数相比，判断反应进行方向，进而判断v（正）、v（逆）的相对大小；
（3）甲醛被氧化成甲酸，而碘酸根被还原成碘离子，所以离子方程式为：HCHO+IO^-+OH^-=HCOO^-+I^-+H₂O．

解答 解：（1）由反应方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知；
①A．v_正（H₂）=3v_正（CH₃OH）=3v_逆（CH₃OH），达平衡状态，故不符合；
B．容器中混合气体的密度变大，说明平均摩尔质量变大，平衡正向移动，故符合；
C．容器中压强不变，说明各物质的量不变，反应达平衡状态，故不符合；
D.2个C=O断裂的同时有6个H-H生成，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故不符合；
故选B．
②上述反应其他条件保持不变，在恒容条件下进行，相当在恒压的基础上减小压强，平衡逆向移动，H₂的转化率将变小，故答案为：变小；
③根据图1可知0.5mol CO₂和1.5mol H₂转化率达80%时放热23-3.4=19.6KJ，则该反应的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-$\frac{19.6mol}{80%}$×2=-49kJ•mol^-1，故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49 kJ•mol^-1；
（2）①650℃时，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
   开始（mol）：4       2        0        0
   转化（mol）：1.6     1.6      1.6     1.6  
   平衡（mol）：2.4     0.4      1.6     1.6
所以K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.67；
900℃时，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：2       1        0       0
转化（mol）：0.4     0.4      0.4     0.4
平衡（mol）：1.6     0.6      0.4     0.4
由于反应前后气体的体积不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，故平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{1.6×0.6}$=$\frac{1}{6}$，所以升高温度平衡常数减小，所以正反应是放热反应，即△H＜0，故答案为：＜；
②根据方程式可知，参加反应CO、水的物质的量相等，令其物质的量均为x，CO的转化率大于水蒸气的转化率，则$\frac{x}{a}$＞$\frac{x}{b}$，且a、b均不为0，整理得0＜$\frac{a}{b}$＜1，
故答案为：0＜$\frac{a}{b}$＜1；
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：2       1        0       0
转化（mol）：0.4     0.4      0.4     0.4
平衡（mol）：1.6     0.6      0.4     0.4
由于反应前后气体的体积不变，用物质的量代替浓度计算平衡常数，故平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{1.6×0.6}$=$\frac{1}{6}$，
若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为2mol时，浓度均为1mol/L，此时浓度商Qc=$\frac{1×1}{1×1}$=1＜K=$\frac{1}{6}$，故反应向逆反应进行，则此时v（正）＜v（逆），
故答案为：＜；
（3）甲醛被氧化成甲酸，而碘酸根被还原成碘离子，所以离子方程式为：HCHO+IO^-+OH^-=HCOO^-+I^-+H₂O，故答案为：HCHO+IO^-+OH^-=HCOO^-+I^-+H₂O．

点评 本题属于拼合型题目，涉及化学平衡进行方向的判断、化学平衡计算、平衡常数计算及应用、热化学方程式书写等，化学平衡常数的计算及应用是近几年高考常考知识点，是学生综合能力的考查，难度中等．