Question

【題目】氫氣、碳氧化物是合成可再生能源甲醇的基礎(chǔ)原料，具有重要的應(yīng)用前景。

（1）已知H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1和890.0 kJ·mol-1。一定條件下，CO與H2合成甲烷的熱化學(xué)方程式為:CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)△H

則△H=________；該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的原因是_____________________________________。

（2）工業(yè)上一般采用下列兩種反應(yīng)合成甲醇:

反應(yīng)I:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)

反應(yīng)II:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

①一定溫度下，在體積可變的恒壓密閉容器中加入4molH2和一定量的CO發(fā)生反應(yīng)I，開(kāi)始時(shí)容器體積為2L，CO和CH3OH(g)的濃度隨時(shí)間變化如圖1。10min達(dá)到平衡，則反應(yīng)I的化學(xué)平衡常數(shù)為______________(結(jié)果保留一位小數(shù))。

②恒溫恒容條件下，在密閉容器中通入等物質(zhì)的量的CO2和H2，下列描述能說(shuō)明反應(yīng)II已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是________________(填序號(hào))。

A.容器內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)不再變化 B.當(dāng)CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值不再變化

C.當(dāng)水分子中斷裂2NA個(gè)O-H鍵，同時(shí)氫分子中斷裂3NA個(gè)H-H鍵

D.容器內(nèi)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到34.5，且保持不變

（3）用KOH作電解質(zhì)的CO堿性燃料電池(如圖2)作電源，用惰性電極電解含CN-廢水，將CN-徹底氧化為無(wú)害氣體，以?xún)艋瘡U水。該電池的負(fù)極反應(yīng)式為_____________；若開(kāi)始時(shí)正、負(fù)兩電極區(qū)溶液質(zhì)量相等，當(dāng)除去1molCN-時(shí)，理論上兩電極區(qū)溶液的質(zhì)量差為______g。

（4）工業(yè)上通過(guò)CO與甲醇制取甲酸甲酯，熱化學(xué)方程式為:CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)△H =-29kJ·mol-1 �？蒲腥藛T對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行了研究，部分研究結(jié)果如圖3。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，其理由是__________________________。

Answer 1

【答案】 -250.4 kJ·mol-1 該反應(yīng)焓變數(shù)值較大，且小于0 0.1 C CO+4OH－-2e－═CO32－+2H2O 200 高于80℃，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響較��；且反應(yīng)放熱，升溫平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低

【解析】試題分析：(1)根據(jù)蓋斯定律計(jì)算CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)的△H；根據(jù)焓判據(jù)，化學(xué)反應(yīng)易向放熱方向進(jìn)行；（2）①開(kāi)始時(shí)容器體積是2L，CO濃度是1mol/L，則CO的物質(zhì)的量是2mol，設(shè)反應(yīng)消耗CO的物質(zhì)的量為xmol，平衡后容器體積為vL，

，得 ；根據(jù) 計(jì)算平衡常數(shù)；②根據(jù)平衡標(biāo)志分析；（3）用KOH作電解質(zhì)的CO堿性燃料電池，通入CO的電極是負(fù)極，CO失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO32－；除去1molCN-時(shí)轉(zhuǎn)移電子5mol，根據(jù)電子守恒，正極需通入1.25mol氧氣，負(fù)極通入2.5molCO，5molOH-從陰離子交換膜的左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)；（4）高于80℃，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響較��；且CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)反應(yīng)放熱，升溫平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低。

解析：H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1和890.0 kJ·mol-1，則①2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol-1；②2CO(g)＋O2(g)＝2CO2(g)　ΔH=－566.0 kJ·mol-1；③CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = -890 kJ·mol-1，根據(jù)蓋斯定律② +①-③得 CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)△H=-250.4 kJ·mol-1；根據(jù)焓判據(jù)，該反應(yīng)焓變數(shù)值較大，且小于0，所以該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。（2）①開(kāi)始時(shí)容器體積是2L，CO濃度是1mol/L，則CO的物質(zhì)的量是2mol，設(shè)反應(yīng)消耗CO的物質(zhì)的量為xmol，平衡后容器體積為vL，

，得 ； = 0.1 ；②，

容器內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)= ，容器內(nèi)CO2的體積分?jǐn)?shù)是定值，所以CO2的體積分?jǐn)?shù)不再變化，不一定達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤； CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值=， CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值是定值，所以CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值不再變化，不一定平衡，故B錯(cuò)誤；當(dāng)水分子中裂2NA個(gè)O-H鍵，同時(shí)氫分子中斷裂3NA個(gè)H-H鍵，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，一定達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；容器內(nèi)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不可能達(dá)到34.5，故D錯(cuò)誤。 （3）用KOH作電解質(zhì)的CO堿性燃料電池，通入CO的電極是負(fù)極，CO失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO32－，負(fù)極反應(yīng)式是CO+4OH－-2e－═CO32－+2H2O；除去1molCN-時(shí)轉(zhuǎn)移電子5mol，根據(jù)電子守恒，正極需通入1.25mol氧氣，負(fù)極通入2.5molCO，5molOH-從陰離子交換膜的左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)；所以左側(cè)質(zhì)量減少 ，右側(cè)質(zhì)量增加 ，理論上兩電極區(qū)溶液的質(zhì)量差為200g。（4）高于80℃，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響較��；且CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)反應(yīng)放熱，升溫平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低，所以工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃。