Question

14．甲醇合成反應(yīng)及其能量變化如圖a所示：

（1）寫出合成甲醇的熱化學(xué)方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol．
（2）實(shí)驗(yàn)室在1L的密閉容器中進(jìn)行模擬合成實(shí)驗(yàn)．將1mol CO和2mol H₂通入容器中，分別恒溫在300℃和500℃反應(yīng)，每隔一段時(shí)間測得容器內(nèi)CH₃OH的濃度如下表所示：

時(shí)間濃度（mol/L）溫度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

在300℃反應(yīng)開始10min內(nèi)，H₂的平均反應(yīng)速率為v（H₂）=0.08mol/（L•min）．
（3）在500℃達(dá)到平衡時(shí)，平衡常數(shù)K=25．
（4）在另一體積不變的密閉容器中，充入1.2mol CO和2.0mol H₂，一定條件下達(dá)到平衡，測得容器中壓強(qiáng)為起始?jí)簭?qiáng)的一半．計(jì)算該條件下H₂的轉(zhuǎn)化率為80%．
（5）銅基催化劑具有活性高、選擇性好和條件溫和的特點(diǎn)，已廣泛地使用于CO/CO₂的加氫合成甲醇．使用銅基催化劑后，該反應(yīng)中a的大小變化對反應(yīng)熱△H有無影響，無影響．（填“有影響”或“無影響”）
（6）2009年，長春應(yīng)用化學(xué)研究所在甲醇燃料電池技術(shù)上獲得新突破，原理如圖b所示．請寫出從C口通入O₂發(fā)生的電極反應(yīng)式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
（7）用上述電池做電源，用圖c裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極）．
①該反應(yīng)的離子方程式2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑．
②電解開始后在電極C₂的周圍（填“C₁”或“C₂”）先出現(xiàn)紅色．

Answer 1

分析 （1）由圖可知，1molC（s）與2molH₂（g）反應(yīng)生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應(yīng)熱書寫熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₃OH），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；
（3）500℃達(dá)到平衡時(shí)，40min處于平衡狀態(tài)，計(jì)算平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計(jì)算；
（4）恒溫恒容條件下，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，據(jù)此計(jì)算平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量，利用差量法計(jì)算參加反應(yīng)氫氣物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算氫氣的轉(zhuǎn)化率；
（5）反應(yīng)熱只與始態(tài)與終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)過程無關(guān)；
（6）氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，與通過質(zhì)子交換膜的氫離子結(jié)合生成水；
（7）①電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣；
②C₁連接電源正極，為陽極，C₂連接電源負(fù)極，為陰極，電解過程中，陽極氯離子失去生成氯氣，陰極水電離的氫離子得到電子生成氫氣，同時(shí)產(chǎn)生氫氧根離子．

解答 解：（1）由圖可知，1molC（s）與2molH₂（g）反應(yīng)生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
（2）在300℃反應(yīng)開始10min內(nèi)，生成的甲醇為0.4mol，則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.4mol}{1L}}{10min}$=0.04mol/（L•min），H₂的平均反應(yīng)速率為v（H₂）=2V（CH₃OH）=0.08mol/（L•min）；
故答案為：0.08mol/（L•min）；
（3）500℃達(dá)到平衡時(shí)，40min處于平衡狀態(tài)，平衡時(shí)甲醇的濃度為0.8mol/L，則：
              CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）：1     2       0
變化量（mol/L）：0.8   1.6    0.8
平衡量（mol/L）：0.2   0.4    0.8
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，
故答案為：25；
（4）恒溫恒容條件下，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為（1.2mol+2.0mol）×$\frac{1}{2}$=1.6mol，即混合氣體減小的物質(zhì)的量為1.6mol，
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）物質(zhì)的量減小
        2                    2
        1.6mol               1.6mol
故該條件下H₂的轉(zhuǎn)化率為=$\frac{1.6mol}{2mol}$×100%=80%；
故答案為：80%；
（5）反應(yīng)中的a是反應(yīng)的活化能，影響因素是催化劑，反應(yīng)熱只與始態(tài)與終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)過程無關(guān)，所以對反應(yīng)熱的影響無關(guān)；
故答案為：無影響；
（6）氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，與通過質(zhì)子交換膜的氫離子結(jié)合生成水，電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（7）①電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣，反應(yīng)離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，
故答案為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
②C₁連接電源正極，為陽極，C₂連接電源負(fù)極，為陰極，電解過程中，陽極氯離子失去生成氯氣，陰極水電離的氫離子得到電子生成氫氣，同時(shí)產(chǎn)生氫氧根離子，所以在陰極C₂先變紅，
故答案為：C₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、熱化學(xué)方程式書寫、電化學(xué)等，需要學(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)并靈活應(yīng)用，題目難度中等．