Question

（14分）联合国气候变化大会2009年12月7日在丹麦首都哥本哈根拉开帷幕，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。

工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇，298.15K时，CO₂、H₂、与CH₃OH、H₂O的平均能量与合成甲醇反应的活化能的曲线图如图1所示，据图回答问题：

（1）写出合成甲醇反应的热化学方程式                                         ；

  

                图1                                        图2

（2）在图中曲线     （填“a”或“b”）表示加入催化剂的能量变化曲线。

（3）在体积为l L的密闭容器中，充入lmolCO₂和3molH₂，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．

①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v(H₂)＝___________mol/(L·min)。

②该反应的平衡常数为__________________，升高温度，K值      （填“增大”、“减小”或“不变”）。

③下列措施中能使n(CH₃OH)／n(CO₂)增大的是___________。

A．升高温度              B．充入He(g)，使体系压强增大

C．将H₂O(g)从体系中分离  D．再充入1mol CO₂和3mol H₂

（4）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：_______________________________ 。

有人提出，可以设计反应2CO＝2C＋O₂（△H＞0、△S＜0）来消除CO的污染。请你判断是否可行并说出理由：__________________________                             。

Answer

（1）CO2(g)+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（g） △H=-（n-m）kJ/mol（2分）

（2）b（1分）

（3）①0.225（2分） ②5.33（2分），减小（1分） ③CD（2分）

（4）2CO2+4e-+2H2O=2CO+4OH-（2分）

不可行，△G=△H-T△S﹥0不自发（2分）

【解析】

试题分析：（1）根据图1可知生成甲醇的反应中，反应物的总能量大于生成物的总能量，反应是放热反应，该反应的热效应是-（n-m）kJ/mol，所以该反应的热化学方程式为CO2(g)+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（g） △H=-（n-m）kJ/mol；

（2）加入催化剂使反应的活化能降低，所以b曲线代表使用催化剂的能量变化曲线；

（3）①根据图2，10min达平衡时甲醇的浓度变化是增大0.75mol/L，所以氢气的浓度减少0.75mol/L×3=2.25mol/L，所以氢气的平均反应速率v(H2)＝2.25mol/L/10min=0.225mol/(L·min)。

② CO2(g)+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（g）

开始时（mol/L） 1 3

转化的（mol/L） 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡时（mol/L） 0.25 0.75 0.75 0.75

该反应的平衡常数为K=0.75×0.75/0.25×0.753=5.33；该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K值减小；

③A、升高温度，平衡逆向移动，n(CH3OH)减小，n(CO2)增大，比值减小，错误；B、充入He(g)，使体系压强增大，恒容容器，充入He气，各物质的浓度不变，平衡不移动，比值不变，错误；C、将H2O(g)从体系中分离，平衡正向移动，n(CH3OH)增大，n(CO2)减小，比值增大，正确； D、再充入1mol CO2和3mol H2，相当于增大压强，平衡正向移动，n(CH3OH)增大，n(CO2)减小，比值增大，正确，答案选CD；

（4）阴极反应式=总反应式-阳极反应式，所以阴极反应式为2CO2+4e-+2H2O=2CO+4OH-；设计反应2CO＝2C＋O2（△H＞0、△S＜0）来消除CO的污染不可行，因为该反应是焓增熵减的反应，不能自发进行。

考点：考查化学反应的热效应的判断，化学平衡的移动，电化学原理的应用