Question

9．以CO₂為碳源制取低碳有機物成為國際研究焦點，CO₂加氫可制取乙醇．
（1）H₂（g）和CH₃CH₂OH（l）的燃燒熱（△H）分別為-285.8kJ•mol^-1和-1365.5kJ•mol^-1，下面為CO₂加氫制取乙醇的反應：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（l）+3H₂O（l）△H=-349.3kJ•mol^-1
（2）寫出反應2CO₂（g）+6H₂（gC?H₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）的平衡常數(shù)表達式 K=$\frac{c（C{H}_{3}C{H}_{2}OH）•{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$在一定壓強下，測得該反應的實驗數(shù)據(jù)如下表．分析表中數(shù)據(jù)回答下列問題：

溫度 CO2轉化率 $\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$	500K	600K	700K	800K
1.5	45	33	20	12
2.0	60	43	28	15
3.0	83	62	37	22

其他條件不變，溫度升高，K值減小減�。ㄌ睢霸龃蟆�、“減小”、或“不變”）．其他條件不變，提高氫碳比[n（H₂）/n（CO₂）]，K值不變（填“增大”、“減小”、或“不變”）
（3）在密閉容器中，按H₂與CO₂的物質的量之比為3：1進行投料，在5MPa下測得不同溫度下平衡體系中各種物質的體積分數(shù)（y%）如圖所1示．

完成下列填空：
①表示CH₃CH₂OH體積分數(shù)曲線的是Ⅳ（選填序號）
②其他條件恒定，如果想提高CO₂的反應速率，可以采取的反應條件是b（選填編號）；達到平衡后，能提高H₂轉化率的操作是ac（選填編號）
a．降低溫度     b．充入更多的H₂
c．移去乙醇   d．增大容器體積
③圖1中曲線Ⅱ和Ⅲ的交點a對應的體積分數(shù)y_a=18.75%
（4）如圖2所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，非常適合進行現(xiàn)場酒精檢測．則該電池的負極反應式為CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)燃燒熱書寫H₂（g）和CH₃CH₂OH（l）燃燒的熱化學方程式，再根據(jù)蓋斯定律構造目標方程式，據(jù)此計算反應熱；
（2）平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積；
由表中數(shù)據(jù)可知，氫碳比一定時，溫度越高，平衡常數(shù)越小；
平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度一定，平衡常數(shù)不變；
（3）①反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，平衡時CO₂與H₂的含量增大，開始n（H₂）/n（CO₂）=3，H₂與CO₂反應按3：1進行，平衡時H₂的含量是CO₂的含量三倍，平衡時H₂的含量比二氧化碳高；
平衡時CH₃CH₂OH（g）、H₂O（g）的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O按1：3反應，平衡時H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍，平衡時H₂O的含量高；
②升高溫度、增大壓強、增大濃度等都可以增大CO₂的反應速率；達到平衡后，提高H₂轉化率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，結合平衡移動原理方向，注意不能只增大氫氣的濃度，否則會使氫氣轉化率降低；
③由①方向可知，圖中曲線Ⅱ和Ⅲ的交點a表示平衡時CO₂、H₂O的含量相等，令H₂與CO₂的起始物質的量分別為3mol、1mol，設平衡時乙醇的物質的量為xmol，利用三段式表示出平衡時各組分的物質的量，再根據(jù)CO₂、H₂O的含量相對列方程計算解答；
（4）根據(jù)圖示得出酸性燃料電池的反應物和生成物，再根據(jù)原電池原理寫出該電池的反應式．

解答 解：（1）25℃、101kPa下，H₂（g）和CH₃CH₂OH（l）的燃燒熱分別為285.8kJ•mol^-1和1365.5kJ•mol^-1
則H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1 ①，
CH₃CH₂OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1365.5kJ•mol^-1 ②，
由蓋斯定律可知，①×6-②得：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃CH₂OH（l）+3H₂O（l），故△H=6×（-285.8kJ•mol^-1）-（-1365.5kJ•mol^-1）=-349.3kJ•mol^-1，
故答案為：-349.3kJ•mol^-1；
（2）反應2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}C{H}_{2}OH）•{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$；
由表中數(shù)據(jù)可知，氫碳比一定時，升高溫度，平衡常數(shù)k減��；
平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度一定，平衡常數(shù)不變，其他條件不變，提高氫碳比[n（H₂）/n（CO₂）]，K值不變，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}C{H}_{2}OH）•{c}^{3}（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{O}_{2}）•{c}^{6}（{H}_{2}）}$；減��；不變；
（3）①反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，平衡時CO₂與H₂的含量增大，開始n（H₂）/n（CO₂）=3，H₂與CO₂反應按3：1進行，平衡時H₂的含量是CO₂的含量三倍，平衡時H₂的含量比二氧化碳高，
平衡時CH₃CH₂OH（g）、H₂O（g）的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O按1：3反應，平衡時H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍，平衡時H₂O的含量高；
曲線Ⅰ、曲線Ⅱ隨溫度升高含量增大，且曲線Ⅰ的含量高，所以曲線Ⅰ表示H₂、曲線Ⅱ表示CO₂，
曲線Ⅲ、曲線Ⅳ隨溫度升高含量減小，且曲線Ⅲ的含量高，所以曲線Ⅲ表示H₂O、曲線Ⅳ表示CH₃CH₂OH，
故答案為：Ⅳ；
②降低溫度，反應速率降低，移去乙醇、增大容器體積，都使物質的濃度降低，使反應速率降低，充入更多的H₂，增大濃度，可以提高CO₂的反應速率，故b符合；
達到平衡后，提高H₂轉化率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，降低溫度、移去乙醇，使平衡向正反應方向移動，能提高H₂轉化率，充入更多的H₂，氫氣的轉化率降低，增大容器體積，壓強降低，平衡向逆反應方向移動，氫氣的轉化率降低，故ac符合；
故答案為：b；ac；
③由①方向可知，圖中曲線Ⅱ和Ⅲ的交點a表示平衡時CO₂、H₂O的含量相等，令H₂與CO₂的起始物質的量分別為3mol、1mol，設平衡時乙醇的物質的量為xmol，則：
          2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）
開始（mol）：1        3         0            0
變化（mol）：2x       6x        x            3x
平衡（mol）：1-2x    3-6x       x            3x
故1-2x=3x，解得x=0.2
故圖中曲線Ⅱ和Ⅲ的交點a對應的體積分數(shù)y_a=$\frac{3x}{1-2x+3-6x+x+3x}$=$\frac{3x}{4-4x}$=$\frac{3×0.2}{4-4×0.2}$=18.75%，
故答案為：18.75；
（4）根據(jù)圖可知，該原電池的燃料為乙醇和氧氣，生成物乙酸和水，電解質為酸性溶液，原電池負極失去電子發(fā)生了氧化反應，所以負極反應為乙醇失去電子生成乙酸，電極反應為：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺，故答案為：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

點評 本題考查反應熱計算、平衡常數(shù)及影響因素、反應速率與平衡移動影響因素、化學平衡計算等，（3）中判斷曲線表示哪一物質的體積分數(shù)是關鍵，側重考查學生對圖象的分析與平衡移動的理解，難中等大．