Question

【題目】I. 科學家研究出一種以天然氣為燃料的“燃燒前捕獲系統”，其簡單流程如圖所示部分(條件及物質未標出)。

（1）工業上可用H2和CO2制備甲醇，其反應為：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)，某溫度下，將1 mol CO2和3 mol H2充入體積不變的2 L密閉容器中，發生上述反應，測得不同時刻反應前后的壓強關系如下：

時間/h	1	2	3	4	5	6
P后/P前	0.9	0.85	0.83	0.81	0.80	0.80

用H2 表示前2 h平均反應速率v(H2) ＝__________ mol·（L·h)-1。

（2）在300 ℃、8 MPa下，將二氧化碳和氫氣按物質的量之比為1∶3通入一密閉容器中發生(1)中反應，達到平衡時，測得二氧化碳的平衡轉化率為50%，則該反應條件下的平衡常數Kp＝ ________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓＝總壓×物質的量分數)。

（3）CO2經催化加氫可合成低碳烯烴：2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g) ΔH。在0.1 MPa時，按n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，如圖所示為不同溫度(T)下，平衡時四種氣態物質的物質的量(n)關系：

①該反應的ΔH ______ 0 (填“＞”、“＝”或“＜”)。

②曲線c表示的物質為 ____________________。

II. 砷有兩種常見的弱酸，砷酸(H3AsO4)和亞砷酸(H3AsO3)。某小組欲探究可逆反應AsO33-+I2+2OH- AsO43- + 2I- + H2O。設計如下圖I所示裝置。實驗操作及現象:按圖I裝置加入試劑并連接裝置，電流由C2流入C1。當電流變為零時，向圖I裝置左邊燒杯中逐滴加入一定量2mol/L的鹽酸，發現又產生電流，實驗中電流與時的關系如圖II所示。

（1）圖II中AsO43-的逆反應速率:a____b( 填“>”、“<”或“=” )。

（2）寫出圖II中c點對應圖I裝置的正極反應式__________________________。

（3）能判斷該反應達到平衡狀態的是________。

a.2v(I-)正=v(AsO33-)逆b.溶液的pH不再變化

c.電流表示數變為零 d.溶液顏色不再變化

Answer 1

【答案】0.225 MPa-2（或0.021MPa-2） < C2H4 < AsO43-+2e-+2H+=AsO33-+H2O bcd

【解析】

I. (1)列出三段式，找出濃度變化量，再根據v(H2)=計算；

(2) 列出三段式，找出CO2、H2、CH3OH、H2O的分壓，再根據v(H2)=Kp=計算；

(3)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱，ΔH<0。

②隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，因氫氣為反應物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，由計量數關系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

II. （1）隨著反應的進行，離子濃度減小，電流減小，正反應速率減小，逆反應速率增大，故圖II中AsO43-的逆反應速率：a<b；

（2）圖II中c點酸性條件下對應圖I裝置的正極AsO43-得電子產生AsO33-；

（3）a.根據速率關系，v(I-)正=2v(AsO33-)逆 ，則等式始終成立，反應不一定處于平衡狀態；b.溶液的pH不再變化，則氫氧根離子濃度也保持不變，反應處于平衡狀態；

c.電流表示數變為零則氧化還原反應中電子轉移不再增減，反應物的濃度保持不變，反應處于平衡狀態；

d.溶液顏色不再變化，則碘單質的濃度保持不變，反應處于平衡狀態；

I. (1)由反應前后的壓強關系可知2 h時，體系中氣體的總的物質的量為4mol0.85=3.4 mol，減少了0.6 mol。

CO2(g)　+ 3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g)　 Δn(減少)

起始(mol)　　1　　　 3　　　 　0　　　 　0 2

變化(mol)　　0.3　 0.9　 　 0.3　 　0.3　　 0.6

2h末(mol)　 0.7　　 2.1　 0.3　　 　0.3

v(H2)===0.225 mol·L-1·h-1。

因此，本題正確答案是：0.225；

(2)設開始時投入CO2和H2的物質的量分別為1 mol和3 mol。

CO2(g)　+ 3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g)　

起始(mol)　　1　　　 3　　　 　0　　　 　0

變化(mol)　　0.5　 1.5　 　 0.5　 　0.5　　

平衡(mol)　 0.5　　 1.5　 0.5　　 　0.5

則平衡時

p(CO2)=8 MPa×=4/3 MPa， p(H2)=8 MPa×=4 MPa，p(CH3OH)=8 MPa×=4/3 MPa，p(H2O)=8 MPa×=4/3 MPa，Kp===≈0.021(MPa-2)。

因此，本題正確答案是： MPa-2（或0.021MPa-2）；

(3)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱，ΔH<0。

②隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，因氫氣為反應物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，由計量數關系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

因此，本題正確答案是：<；C2H4；

II. （1）隨著反應的進行，離子濃度減小，電流減小，正反應速率減小，逆反應速率增大，故圖II中AsO43-的逆反應速率：a<b；

因此，本題正確答案是：<；

（2）圖II中c點酸性條件下對應圖I裝置的正極AsO43-得電子產生AsO33-，電極反應式為AsO43-+2e-+2H+= AsO33-+H2O；

因此，本題正確答案是：AsO43-+2e-+2H+=AsO33-+H2O；

（3）a.根據速率關系，v(I-)正=2v(AsO33-)逆 ，則等式始終成立，反應不一定處于平衡狀態；b.溶液的pH不再變化，則氫氧根離子濃度也保持不變，反應處于平衡狀態；

c.電流表示數變為零，則氧化還原反應的正反應速率與逆反應速率相等，反應物的濃度保持不變，反應處于平衡狀態；

d.溶液顏色不再變化，則碘單質的濃度保持不變，反應處于平衡狀態；

因此，本題正確答案是：bcd。