Question

【題目】十九大報告提出要對環(huán)境問題進(jìn)行全面、系統(tǒng)的可持續(xù)治理。綠色能源是實施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，利用生物乙醇來制取綠色能源氫氣的部分反應(yīng)過程如下圖所示：

(1)已知：CO(g) +H2O(g)CO2(g)+H2(g) H1=-41 kJ·mol-1

CH3CH2OH(g)+3H2O(g)2CO2(g)+6H2(g) H2 =+174.1 kJ·mol-1

反應(yīng)I的熱化學(xué)方程式為______。

(2)反應(yīng)II在進(jìn)氣比[n(CO) : n(H2O)]不同時，測得相應(yīng)的 CO 平衡轉(zhuǎn)化率見下圖(各點對應(yīng)的反應(yīng)溫度可能相同，也可能不同；各點對應(yīng)的其他反應(yīng)條件都相同)。

①圖中A、E和 G三點對應(yīng)的反應(yīng)溫度TA、TE、TG的關(guān)系是_____，其原因是 ______。該溫度下，要提高CO平衡轉(zhuǎn)化率，除了改變進(jìn)氣比之外，還可采取的措施是______。

②由圖中可知CO的平衡轉(zhuǎn)化率與進(jìn)氣比、反應(yīng)溫度之間的關(guān)系是____。

③A、B 兩點對應(yīng)的反應(yīng)速率大�。�vA_____vB(填“<” “=”或“>”)。已知反應(yīng)速率 v=v正v逆= k正x(CO)x(H2O) k逆x(CO2) x(H2) ，k為反應(yīng)速率常數(shù)，x為物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，在達(dá)到平衡狀態(tài)為D點的反應(yīng)過程中，當(dāng)CO的轉(zhuǎn)化率剛好達(dá)到20％時，=_____。

(3)反應(yīng)III在飽和KHCO3電解液中，電解活化的CO2來制備乙醇，其原理如圖所示，則陰極的電極反應(yīng)式為___________。

Answer 1

【答案】CH3CH2OH(g)+H2O(g)4H2(g)+2CO(g) H= +256.1 kJ·mol-1 TA=TE=TG KA=KE=KG=1 及時移去產(chǎn)物 溫度相同，進(jìn)氣比越大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小；進(jìn)氣比相同，反應(yīng)溫度越高，CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小 ＜ 36.0 14CO2+12e+9H2O═CH3CH2OH+12HCO3

【解析】

(1)反應(yīng)I化學(xué)方程式為CH3CH2OH(g)+H2O(g)═4H2(g)+2CO(g)，

①CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H1=-41kJ/mol
②CH3CH2OH(g)+3H2O(g)2CO2(g)+6H2(g)△H2=+174.1kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律②-①×2計算CH3CH2OH(g)+H2O(g)═4H2(g)+2CO(g)的△H；

(2)①反應(yīng)II為CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H1=-41kJ/mol，正反應(yīng)放熱，可用A、E和G三點對應(yīng)數(shù)值結(jié)合反應(yīng)三段式計算平衡常數(shù)，根據(jù)平衡常數(shù)的變化分析判斷；根據(jù)反應(yīng)特點，結(jié)合溫度、濃度對平衡移動的影響分析提高CO平衡轉(zhuǎn)化率的措施；

②由圖可知，當(dāng)CO的轉(zhuǎn)化率相同時，溫度由低到高對應(yīng)的進(jìn)氣比為0.5、1、1.5，由此可確定溫度與進(jìn)氣比的關(guān)系；

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H1=-41kJ/mol，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，CO轉(zhuǎn)化率減小；達(dá)到平衡狀態(tài)為D點的反應(yīng)過程中，平衡常數(shù)K=，則==K×，根據(jù)反應(yīng)三段式計算D點時平衡常數(shù)K、計算CO轉(zhuǎn)化率剛好達(dá)到20%時各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)x，代入=K×中計算比值；

(3)陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合電子守恒、電荷守恒書寫電極反應(yīng)方程式。

(1)反應(yīng)I化學(xué)方程式為CH3CH2OH(g)+H2O(g)═4H2(g)+2CO(g)，①CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H1=41kJ/mol

②CH3CH2OH(g)+3H2O(g)2CO2(g)+6H2(g)△H2=+174.1kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律②①×2計算CH3CH2OH(g)+H2O(g)═4H2(g)+2CO(g)的△H=+174.1kJ/mol(41kJ/mol)×2=+256.1kJ/mol，即熱化學(xué)方程式為CH3CH2OH(g)+H2O(g)═4H2(g)+2CO(g)△H=+256.1kJ/mol；

(2)①圖中A點數(shù)值為(0.5，66.7)，即=0.5，CO的轉(zhuǎn)化率為66.7%=，根據(jù)關(guān)系列三段式：

KA===1；

圖中E點數(shù)值為(1，50)，即=1，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，根據(jù)關(guān)系列三段式：

平衡常數(shù)KE===1；

圖中G點數(shù)值為(1.5，40)，即=1.5，CO的轉(zhuǎn)化率為40%，根據(jù)關(guān)系列三段式：

平衡常數(shù)KG ===1；

根據(jù)以上計算可知，KA=KE=KG=1，平衡常數(shù)不變，平衡常數(shù)是溫度的函數(shù)，溫度不變，則平衡常數(shù)不變，則可得TA=TE=TG；

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H=41kJmol1，即正向為氣體體積不變的放熱反應(yīng)，所以恒溫條件下，增大H2O(g)的濃度或及時分離出CO2等產(chǎn)物均可提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率；

②由圖可知，溫度相同，進(jìn)氣比越大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率越��；進(jìn)氣比相同，反應(yīng)溫度越高，CO的平衡轉(zhuǎn)化率越��；

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H1=41kJ/mol，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，CO轉(zhuǎn)化率減小，則B點溫度高，反應(yīng)速率快，即vA＜vB；D點數(shù)值為(1，60)，反應(yīng)三段式為：

D點溫度下的平衡常數(shù)KD＝==2.25，反應(yīng)達(dá)到平衡時v正=v逆，即k正x（CO）x（H2O）=k逆x（CO2）x（H2），所以===K=2.25，在達(dá)到平衡狀態(tài)為D點的反應(yīng)過程中，當(dāng)CO轉(zhuǎn)化率剛好達(dá)到20%時，反應(yīng)三段式為：

X（CO）=x（H2O）==0.4，x（CO2）=x（H2）==0.1，所以==K×=2.25×=36.0；

(3)陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故電極反應(yīng)方程式14CO2+12e+9H2O═CH3CH2OH+12HCO3。