Question

降低大氣中CO₂的含量及有效利用CO₂，目前已引起各國普遍重視．
（1）在載人航天器的生態(tài)系統(tǒng)中，不僅要求分離去除CO₂，還要求提供充足的O₂．某種電化學裝置可實現(xiàn)如下轉化：2CO₂=2CO+O₂，CO可用作燃料．已知該反應的陽極反應為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，則陰極反應式為

 

．
（2）工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產燃料甲醇．為探究反應原理，現(xiàn)進行如下實驗，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，在500℃下發(fā)生反應：CO₂（g）+3H₂（g）

催化劑

加熱、加壓

CH₃OH（g）+H₂O（g）．實驗測得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖1所示．

①如圖2是改變溫度時H₂的化學反應速率隨時間變化的示意圖，則該反應的正反應是

 

（填“吸熱”或“放熱”）反應．
②500℃達平衡時，CH₃OH的體積分數(shù)為

 

．
（3）如圖3中P是可自由平行滑動的活塞，關閉K，在相同溫度時，向A容器中充入1mol CH₃OH（g）和2mol H₂O（g），向B容器中充入1.2mol CH₃OH（g）和2.4mol H₂O（g），兩容器分別發(fā)生上述（2）中反應的逆反應．已知起始時容器A和B的體積均為a L，反應達到平衡時容器B的體積為1.5a L，容器B中CH₃OH轉化率為

 

；維持其他條件不變，若打開K一段時間后重新達到平衡，容器B的體積為

 

L（連通管中氣體體積忽略不計，且不考慮溫度的影響）．

Answer 1

考點：化學平衡的計算,化學電源新型電池,化學平衡的影響因素,物質的量或濃度隨時間的變化曲線

專題：化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）電池反應式減去陽極電極反應式即得陰極電極反應式；
（2）①升高溫度平衡向吸熱反應方向移動；
②先根據(jù)濃度變化計算平衡時各物質的濃度，CH₃OH的體積分數(shù)等于甲醇的物質的量濃度與總物質的量濃度之比；
（3）恒溫、恒壓條件下，氣體的體積之比等于其物質的量之比，根據(jù)氣體的體積計算參加反應的甲醇的物質的量，再根據(jù)轉化率公式計算轉化率；
打開K，AB組成的是恒溫恒壓容器，依據(jù)壓強變化和物質的量變化成正比計算得到．

解答： 解：（1）電池反應式減去陽極電極反應式即得陰極電極反應式，所以陰極電極反應式為：2CO₂+2H₂O+4e^-═2CO+4OH^-或CO₂+H₂O+2e^-═CO+2OH^-，
故答案為：2CO₂+2H₂O+4e^-═2CO+4OH^-或CO₂+H₂O+2e^-═CO+2OH^-；
（2）①根據(jù)圖象知，升高溫度，逆反應速率大于正反應速率，平衡向逆反應方向移動，則正反應是放熱反應，故答案為：放熱；
②開始時c（CO₂）=1mol/L、c（H₂）=3mol/L，平衡時c（CO₂）=0.25mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，則c（H₂）=3mol/L-0.75mol/L×3=0.75mol/L，CH₃OH的體積分數(shù)等于甲醇的物質的量濃度與總物質的量濃度之比，所以甲醇的體積分數(shù)=

0.75mol/L

(0.25+0.75+0.75+0.75)mol/L

×100%=30%，
故答案為：30%；
（3）B中是等壓條件下的反應，等壓條件下，氣體的物質的量之比等于其體積之比，反應前氣體的物質的量是3.6mol，則反應后氣體的物質的量=

1.5aL

aL

×3.6mol=5.4mol，根據(jù)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）知，參加反應的n（CH₃OH）=

5.4mol-3.6mol

2

×1=0.9mol，則甲醇的轉化率=

0.9mol

1.2mol

×100%=75%；
打開K時，AB組成一個等溫等壓容器，相應的起始投入總物質的量與平衡的總體積成正比，設打開K重新達到平衡后總的體積為x，則x：（3+3.6）=1.5a：3.6
求得x=2.75a，所以B的體積為2.75a-a=1.75a，
故答案為：75%；1.75a．

點評：本題考查了電解原理、外界條件對化學平衡的影響、化學平衡的有關計算等知識點，根據(jù)溫度對可逆反應平衡移動方向影響來確定反應熱，再結合恒溫、恒壓條件下物質的量與體積的關系來分析解答，題目難度中等．