Question

11．當前情況下散燒煤和沒有清潔的煤是造成中國城市霧霾或者東部霧霾的主要原因，煤的氣化是解決霧霾，清潔地利用煤炭的重要途徑之一．
（1）已知：H₂O（g）=H₂O（l）△H=44KJ/mol

物質(zhì)	H2（g）	C（s）	CO（g）
燃燒熱KJ/mol	285.8	393.5	283.0

①請寫出煤的氣化反應生成合成氣（CO和H₂）的熱化學方程式H₂O（g）+C（s）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol．
②在恒溫、恒容的反應器中，能表明上述反應達到平衡狀態(tài)的是abef．
a．混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變         b．氣體壓強不再改變
c．各氣體濃度相等                                    d．反應體系中溫度保持不變
e．斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍      f．混合提前密度不變
g．單位時間內(nèi)，消耗水的質(zhì)量與生成氫氣的質(zhì)量比為9：1
（2）甲醇是重要的化工原料，又可作為燃料，工業(yè)上利用合成氣（主要成分為CO、CO₂、H₂）在催化劑的作用下合成甲醇，其中部分主要反應如下：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol
①請推斷該反應自發(fā)進行的條件為由于該反應△S＜0，△H＜0，故根據(jù)△G=△H-T△S＜0，反應自發(fā)，可判斷該反應在低溫下能自發(fā)進行．
②若將1 mol CO₂和2 mol H₂充入容積為2L的恒容密閉容器中，在兩種不同溫度下發(fā)生反應，測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間的變化如圖所示．曲線Ⅰ、Ⅱ?qū)�應的平成常�?shù)大小關系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞”或“=”或“＜”）；若5 min后反應達到平衡狀態(tài)，H₂的轉(zhuǎn)化率為90%，則用CO₂表示的平均反應速率為0.06mol/（L．min），該溫度下的平衡常數(shù)為450；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是d．
a．升高溫度   b．使用合適的催化劑   c．充入He   d．按原比例再充入CO₂和H₂
③CH₄燃料電池利用率很高，裝置中添加1L 2mol/L的KOH溶液為電解質(zhì)，持續(xù)緩慢通入標準狀況下甲烷2.24L時負極電極反應為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．

Answer 1

分析 （1）①由表格得O₂（g）+$\frac{1}{2}$H₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol      ①
O₂（g）+C（s）=CO₂（g）△H=-393.5kJ/mol      ②
O₂（g）+$\frac{1}{2}$CO（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol      ③
H₂O（g）=H₂O（l）△H=44kJ/mol     ④，②+④-①-③得，煤的氣化反應生成合成氣（CO和H₂）的熱化學方程式
H₂O（g）+C（s）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol，據(jù)此進行分析；
②當反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，由此衍生的一些物理量不變，注意乙反應是一個反應前后氣體體積不變的化學反應，所以不能用壓強判斷平衡；
（2）①根據(jù)△G=△H-T△S，若△G＜0，反應能自發(fā)進行；
②II平衡時間小于I，說明II反應速率大于I，且平衡時II中CH₃OH的物質(zhì)的量小于I，說明平衡向逆反應方向移動，則只能是升高溫度，溫度越高，化學平衡常數(shù)越��；據(jù)V=$\frac{△C}{△t}$；平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$；據(jù)平衡向正方向進行分析；
③燃料電池中，負極上燃料失電子發(fā)生氧化反應；

解答 解：（1）①由表格得O₂（g）+$\frac{1}{2}$H₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol      ①
O₂（g）+C（s）=CO₂（g）△H=-393.5kJ/mol      ②
O₂（g）+$\frac{1}{2}$CO（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol      ③
H₂O（g）=H₂O（l）△H=44kJ/mol     ④，②+④-①-③得，煤的氣化反應生成合成氣（CO和H₂）的熱化學方程式
H₂O（g）+C（s）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol，
故答案為：H₂O（g）+C（s）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol；
②a．混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變，由于反應的兩邊氣體的體積不相同，故壓強始變化，所以混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變，能判斷此反應達到平衡狀態(tài)，故a正確；
b．恒溫時，由于反應的兩邊氣體的體積不相同，壓強不變，能判斷此反應達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．各氣體組成濃度相等，不能判斷各組分的濃度不變，無法證明達到了平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d．反應體系中溫度保持不變，不能說明反應達到了平衡狀態(tài)，故d錯誤；
e．斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍，說明正逆反應速率相等，達到了平衡狀態(tài)，故e正確；
f．混合氣體密度不變，由于反應的兩邊氣體的體積不相同，所以密度不變，即濃度不再發(fā)生變化，故能說明反應達到平衡狀態(tài)，故f正確；
g．單位時間內(nèi)，消耗水質(zhì)量與生成氫氣質(zhì)量比為9：1，水與氫氣的物質(zhì)的量之比為1：1，表示的都是正逆反應速率，無法判斷正逆反應速率相等，故g錯誤；
故答案為：abef；
（2）①由于該反應△S＜0，△H＜0，故根據(jù)△G=△H-T△S＜0，反應自發(fā)，可判斷該反應在低溫下能自發(fā)進行，故答案為：由于該反應△S＜0，△H＜0，故根據(jù)△G=△H-T△S＜0，反應自發(fā)，可判斷該反應在低溫下能自發(fā)進行；
②II平衡時間小于I，說明II反應速率大于I，且平衡時II中CH₃OH的物質(zhì)的量小于I，說明平衡向逆反應方向移動，則只能是升高溫度，即II的溫度大于I，溫度越高，平衡向逆反應方向移動，導致化學平衡常數(shù)越小，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，
                    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（C）     0.5                1                  0               0
變化              0.3               0.9               0.3            0.3
5min             0.2                0.1               0.3            0.3，V（CO₂）=$\frac{△C}{△t}$=$\frac{0.3mol/L}{5miin}$=0.06mol/（L．min）；平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.3×0.3}{0.2×0．{1}^{3}}$=450；平衡向正方向進行，故可行的措施有按原比例再充入CO₂和H₂，即增加反應物濃度，平衡向正方向進行；
故答案為：＞；0.06mol/（L．min）；450；d；
③甲烷燃料電池中，負極上甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應式為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；

點評 本題屬于綜合性題目，關鍵是（2）②考查了化學平衡常數(shù)，化學平衡移動影響因素，以及II、I兩條曲線變化確定溫度高低，從而確定化學平衡常數(shù)，為解答難點．