Question

二氧化碳的捕捉和利用是我国能源领域的一个重要战略方向。

（1）工业上用CO₂和H₂反应合成二甲醚。已知：

CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)　ΔH₁＝－181.6 kJ·mol^－1；

2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)＋H₂O(g)　ΔH₂＝－24.5 kJ·mol^－1。

写出CO₂(g)和H₂(g)转化为CH₃OCH₃(g)和H₂O(g)的热化学方程式：________________________________________________________________________。

（2）在某压强下，合成二甲醚的反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的平衡转化率如图所示。T₁温度下，将6 mol CO₂和12 mol H₂充入2 L的密闭容器中，5 min后反应达到平衡状态，则0～5 min内的平均反应速率v(CH₃OCH₃)＝______________________________；K_A、K_B、K_C三者之间的大小关系为______________________________。

（3）若2CO(g)＋4H₂(g)CH₃OCH₃(g)＋H₂O(g)　ΔH＝－204.7 kJ·mol^－1在恒温恒压下进行，以下叙述能说明该反应达到平衡状态的是________(填序号)。

A．CO和H₂的物质的量浓度之比是1∶2 

B．CO的消耗速率等于CH₃OCH₃的生成速率的2倍

C．容器中混合气体的体积保持不变 

D．容器中混合气体的平均摩尔质量保持不变

E．容器中混合气体的密度保持不变

（4）如图P是可自由平行滑动的活塞，关闭K，在相同温度时，向A容器中充入1 mol CH₃OH(g)和2 mol H₂O(g)，向B容器中充入1.2 mol CH₃OH(g)和2.4 mol H₂O(g)，两容器分别发生反应CH₃OH(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋3H₂(g)。已知起始时容器A和B的体积均为a L，反应达到平衡时容器B的体积为1.5a L，容器B中CH₃OH转化率为________；维持其他条件不变，若打开K一段时间后重新达到平衡，容器B的体积为________L(连通管中气体体积忽略不计，且不考虑温度的影响)。

（5）CO₂溶于水形成H₂CO₃。已知常温下H₂CO₃的电离平衡常数为K₁＝4.4×10^－7、K₂＝4.7×10^－11，NH₃·H₂O的电离平衡常数为K＝1.75×10^－5。常温下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液，NH₄HCO₃溶液显________(填“酸性”“中性”或“碱性”)；请计算反应NH＋HCO＋H₂ONH₃·H₂O＋H₂CO₃的平衡常数K＝________________________________________________________________________。

（6）工业上采用电化学还原CO₂是一种使CO₂资源化利用的方法，如图是利用此法制备ZnC₂O₄的示意图(电解液不参与反应)，下列说法正确的是____________。

A．Zn与电源的负极相连

B．ZnC₂O₄在交换膜右侧生成

C．电解的总反应式为2CO₂＋ZnZnC₂O₄

D．通入11.2 L CO₂，转移0.5 mol电子

Answer

2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝－387.7 kJ·mol－1 0.18 mol·L－1·min－1 KA＝KC>KB CDE 75% 1.75a 碱性 1.3×10－3 C

【解析】(1)设①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-181.6 kJ·mol-1，②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-24.5 kJ·mol-1。根据盖斯定律①×2+②可得到CO2(g)和H2(g)反应转化为CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学方程式为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-387.7 kJ·mol-1。答案为：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝－387.7 kJ·mol－1

(2)T1温度下，将6molCO2和12 mol H2充入2 L的密闭容器中，由图象可知，5 min后反应达到平衡状态时，二氧化碳转化率为60%，则生成CH3OCH3为6mol×60%×1/2=1.8 mol，所以平均反应速率v(CH3OCH3)=Δc/t=(1.8mol/2L)/5min=0.18mol·L-1·min-1；平衡常数仅与温度有关，所以KA=KC，根据图象知，在投料比相同时，T1温度下二氧化碳转化率大于T2温度下的，则KA=KC>KB。答案为：0.18 mol·L－1·min－1 、KA＝KC>KB

(3)选项A，一氧化碳和氢气的物质的量浓度比与反应物的初始量及转化率有关，A错误；选项B，一氧化碳的消耗速率与甲醚的生成速率都属于正反应速率，正反应速率之比等于计量数之比，不能说明反应达到平衡状态，B错误；选项C，随着反应进行混合气体总物质的量减少，由于压强不变，则气体的体积减小，容器中混合气体的体积保持不变，说明反应达到平衡状态，C正确；选项D，气体的总质量保持不变，气体总物质的量减少，则气体的平均摩尔质量逐渐增大，当容器中混合气体的平均摩尔质量保持不变时，说明反应达到平衡状态，D正确；选项E，气体的总质量保持不变，气体的体积减小，则密度增大，当容器中的混合气体的密度保持不变时，说明反应达到平衡状态，E正确。答案为：CDE

(4)B容器的体积变为原来的1.5倍，增加的气体的物质的量为3.6mol×0.5=1.8mol，依据化学方程式可知，当气体的物质的量增加2mol时，反应消耗甲醇1mol，故该反应消耗的甲醇的物质的量为0.9mol，CH3OH的转化率=×100%=75%。打开K时，A、B组成一个等温等压体系，设打开K重新达到平衡后总的体积为xL，根据等效平衡原理得x∶(3+3.6)=1.5a∶3.6，求得x=2.75a，所以B的体积为2.75aL-aL=1.75aL。答案为：75% 、1.75a

(5)根据盐类水解规律，已知NH3·H2O的电离平衡常数K=1.75×10-5，H2CO3的电离平衡常数K1=4.4×10-7，K2=4.7×10-11，碳酸氢根离子的水解程度大于NH4+的水解程度，故NH4HCO3溶液显碱性；反应NH4+＋HCO3-＋H2ONH3·H2O＋H2CO3的平衡常数K===10-14/(1.75×10-5×4.4×10-7)=1.3×10-3。答案为：碱性、1.3×10－3

(6)A.该装置是电解池，还原反应发生在阴极，则Pb极是阴极，与电源的负极相连，Zn与电源的正极相连，A错误；B.题图中用的是阳离子交换膜，故生成的Zn2+可以移动到左侧，故在左侧生成ZnC2O4，B错误；C.阳极Zn失去电子生成Zn2+，阴极CO2得电子变为C2O42-,所以电解的总反应式为2CO2＋ZnZnC2O4，C正确；D.未指明气体是在标准状况下，D错误。答案选C.