Question

12．通過煤的氣化和液化，使碳及其化合物得以廣泛應(yīng)用．
I．工業(yè)上先用煤轉(zhuǎn)化為CO，再利用CO和水蒸氣反應(yīng)制H₂時(shí)，存在以下平衡：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）向1L恒容密閉容器中充入CO和H₂O（g），800℃時(shí)測得部分?jǐn)?shù)據(jù)如表．則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=1.2（保留2位有效數(shù)字）

t/min	0	1	2	3	4
n（H2O）/mol	0.600	0.520	0.450	0.350	0.350
n（CO）/mol	0.400	0.320	0.250	0.150	0.150

（2）相同條件下，向2L恒容密閉容器中充入1molCO、1mol H₂O（g）、2molCO₂、2mo1H₂，此時(shí)v（正）＜ v（逆）（填“＞”“=”或“＜”）．
Ⅱ．已知CO（g）、H₂（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱分別為283kJ•mol^-1、286kJ•mol^-1、726kJ•mol^-1．
（3）利用CO、H₂合成液態(tài)甲醇的熱化學(xué)方程式為CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1．
（4）依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析增加壓強(qiáng)對制備甲醇反應(yīng)的影響．
Ⅲ．為擺脫對石油的過度依賴，科研人員將煤液化制備汽油，并設(shè)計(jì)了汽油燃料電池，電池工作原理如圖所示：一個(gè)電極通入氧氣，另一電極通入汽油蒸氣，電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-．
（5）以辛烷（C₈H₁₈）代表汽油，寫出該電池工作時(shí)的負(fù)極反應(yīng)方程式C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O．
Ⅳ．煤燃燒產(chǎn)生的CO₂是造成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w之一．
（6）將CO₂轉(zhuǎn)化成有機(jī)物可有效地實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)．如：
a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光照/葉綠素}{→}$C₆H₁₂O₆+6O₂
b．2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$C₂H₅OH+3H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化劑}$CH₃COOH 
d．2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₂=CH₂+4H₂O
反應(yīng)b中理論上原子利用率為46%．

Answer 1

分析 I．（1）化學(xué)平衡常數(shù)為平衡時(shí)，生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪乘積的比值；
（2）溫度不變，利用濃度商與化學(xué)平衡常數(shù)的大小，判斷平衡移動(dòng)方向，得到答案；
Ⅱ．（3）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式；
（4）分析壓強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響，得到答案；
Ⅲ．（5）電解質(zhì)能在高溫下能傳導(dǎo)O^2-，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，即C₈H₁₈）失去電子生成CO₂，根據(jù)質(zhì)量守恒和電荷守恒寫出電極反應(yīng)式；
（6）原子利用率等于期望產(chǎn)物的總質(zhì)量與生成物的總質(zhì)量之比．

解答 解：I．（1）反應(yīng)物和生成物濃度不變時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)，3min后達(dá)到平衡狀態(tài)，容器體積為1L，則c（H₂O）=0.350mol/L，c（CO）=0.150mol/L，c（H₂）=c（CO₂）=0.600mol/L-0.350mol/L=0.250mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{[CO{\;}_{2}]•[H{\;}_{2}]}{[CO]•[H{\;}_{2}O]}$=$\frac{0.250×0.250}{0.350×0.150}$=1.2，
故答案為：1.2；
（2）向2L恒容密閉容器中充入1mol CO、1mol H₂O（g）、2mol CO₂、2mol H₂，各物質(zhì)濃度分別為：0.5mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1mol/L，濃度商=$\frac{1×1}{0.5×0.5}$=4＞1.2，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以υ（正）＜υ（逆），
故答案為：＜；
Ⅱ．（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$②得反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H═-283.0kJ•mol^-1+（-286kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-129kJ•mol^-1，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1；
（4）增加壓強(qiáng)，縮小體積，反應(yīng)物濃度增大，反應(yīng)速率加快，正反應(yīng)速率加快大于逆反應(yīng)速率，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故答案為：增加壓強(qiáng)使反應(yīng)速率加快，同時(shí)平衡右移，CH₃OH產(chǎn)率增大；
（5）電解質(zhì)能在高溫下能傳導(dǎo)O^2-，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，即1molC₈H₁₈失去電子生成CO₂，共失去8×[+4-（-$\frac{18}{8}$）]=50mole^-，18molH原子轉(zhuǎn)化為9molH₂O，根據(jù)質(zhì)量守恒和電荷守恒寫出電極反應(yīng)為：C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O，
故答案為：C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O；　　
（6）原子利用率等于期望產(chǎn)物的總質(zhì)量與生成物的總質(zhì)量之比，反應(yīng)b中理論上原子利用率為：$\frac{46}{88+12}$×100%=46%，
故答案為：46%．

點(diǎn)評 本題考查影響化學(xué)平衡的因素、化學(xué)平衡的建立等，難度較大，構(gòu)建平衡建立的途徑進(jìn)行比較是關(guān)鍵，探討了能源的循環(huán)利用和溫室效應(yīng)的解決，著重考查了物質(zhì)催化反應(yīng)的過程，結(jié)合考查了化學(xué)反應(yīng)速率和對圖表的理解解析能力，綜合能力要求較高，另外讀圖時(shí)要注意觀察橫縱坐標(biāo)的含義和單位，難度中等．