Question

16．據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，我國沒有處理排放的焦?fàn)t煤氣已超過250億立方米，這不僅是能源的浪費(fèi)，也對環(huán)境造成極大污染．為解決這一問題，我國在2004年起已利用焦?fàn)t煤氣制取甲醇及二甲醚，其中甲醇產(chǎn)量在2012年末已達(dá)到500～600萬噸．請回答下列問題：
（1）已知CO中的C與O之間為三鍵連接，且合成甲醇的主要反應(yīng)原理為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁．如表所列為常見化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)：

化學(xué)鍵	C-C	C-H	H-H	C-O	C=O	H-O
鍵能/kJ•mol-1	348	414	436	326.8	1032	464

則該反應(yīng)的△H₁=-128.8 kJ•mol^-1．
（2）二甲醚是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．已知利用焦?fàn)t氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：
ⅰ．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
①總反應(yīng)：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-322.4kJ•mol^-1．
②下列描述中能說明上述總反應(yīng)已達(dá)平衡的是C．
A．c（H₂）、c（CO）、c（CH₃OCH₃）、c（CO₂）均為0.1mol•L^-1
B．2v（H₂）_正=v（CH₃OCH₃）_逆
C．容器中氣體的壓強(qiáng)保持不變
D．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol CO的同時(shí)生成n mol H₂
③一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是ace．
a．增大壓強(qiáng)   b．加入催化劑  c．減少CO₂的濃度  d．增加CO的濃度 e．分離出二甲醚
（3）①甲醇-空氣燃料電池（DMFC）是一種高效能、輕污染電動(dòng)汽車的車載電池，其工作原理示意圖如圖甲，該燃料電池的電池反應(yīng)式為2CH₃OH （g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l），則正極的電極反應(yīng)式為4H⁺+4e^-+O₂=2H₂O．

②用上述電池做電源，用圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應(yīng)的離子方程式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$ 2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，電解初始在電極C₂（填“C₁”或“C₂”）的周圍先出現(xiàn)紅色．
③當(dāng)有8g甲醇完全反應(yīng)，在C₂上可收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的體積為16.8L．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)化學(xué)反應(yīng)焓變=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和計(jì)算，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對應(yīng)反應(yīng)的焓變寫出熱化學(xué)方程式；
（2）①ⅰ．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-128.8 kJ•mol^-1
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算ii+iii+i×2得到反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
②反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各組分含量保持不變以及衍生的各種關(guān)系，變量不變是本質(zhì)；
③反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率化學(xué)平衡正向進(jìn)行；
（3）①酸性條件下，負(fù)極上甲醇失電子和水反應(yīng)生成二氧化碳和氫離子，正極氧氣得到電子與氫離子反應(yīng)生成水，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；
②圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應(yīng)是溶液中氫離子在C₂電極得到電子生成氫氣，水電離平衡正向進(jìn)行，氫氧根離子濃度增大，氯離子在C₁電極失電子生成氯氣；
③依據(jù)電極反應(yīng)電子守恒計(jì)算，原電池負(fù)極電極反應(yīng)CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，和電解池陰極電極反應(yīng)2H⁺+2e^-=H₂↑存在電子守恒；

解答 解：（Ⅰ）（1）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），反應(yīng)的焓變可以根據(jù)反應(yīng)物的總鍵能和生成物的總鍵能計(jì)算得到，焓變=反應(yīng)物總鍵能之和-生成物總鍵能之和，依據(jù)圖表提供的化學(xué)鍵的鍵能計(jì)算得到，△H₁═1032KJ/mol+2×436KJ/mol-（3×414KJ/mol+326.8KJ/mol+464KJ/mol）=-128.8 kJ•mol^-1，
故答案為：-128.8；    
（2）①ⅰ．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-128.8 kJ•mol^-1
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算ii+iii+i×2得到反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-322.4KJ/mol，
故答案為：-322.4；  
②3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-322.4KJ/mol，總反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，
A．c（H₂）、c（CO）、c（CH₃OCH₃）、c（CO₂）均為0.1mol•L^-1 ，不能證明正逆反應(yīng)速率相同，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比，為正反應(yīng)速率之比，當(dāng)v（H₂）_正=3v（CH₃OCH₃）_逆 時(shí)，甲醚正逆反應(yīng)速率相同反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，所以
2v（H₂）_正=v（CH₃OCH₃）_逆，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)容器中氣體的壓強(qiáng)保持不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol CO的同時(shí)生成n mol H₂，說明反應(yīng)逆向進(jìn)行，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；
故答案為：C；
③a．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大，故a正確；
b．催化劑可以增大反應(yīng)速率，不改變化學(xué)平衡，CO轉(zhuǎn)化率不變，故b錯(cuò)誤；
c．減少CO₂的濃度平衡向正反應(yīng)反應(yīng)移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大，故c正確；
d．增加CO的濃度，CO的轉(zhuǎn)化率反而減小，故d錯(cuò)誤；
e．分離出二甲醚平衡向正反應(yīng)反應(yīng)移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大，故e正確，
故答案為：a c e；
（3）①酸性條件下，負(fù)極上甲醇失電子和水反應(yīng)生成二氧化碳和氫離子，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；
正極氧氣得到電子結(jié)合氫離子反應(yīng)生成水，正極電極反應(yīng)式為：4H⁺+4e^-+O₂=2H₂O，
故答案為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；
②圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應(yīng)是溶液中氫離子在陰極C₂電極得到電子生成氫氣，水電離平衡正向進(jìn)行，氫氧根離子濃度增大，溶液中酚酞變紅色，氯離子在陽極C₁電極失電子生成氯氣，反應(yīng)的離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，
故答案為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，C₂；       
③原電池負(fù)極電極反應(yīng)CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，和電解池陰極電極反應(yīng)2H⁺+2e^-=H₂↑存在電子守恒，CH₃OH～3H₂↑～6e^-，當(dāng)有8g甲醇完全反應(yīng)物質(zhì)的量=$\frac{8g}{32g/mol}$=0.25mol，在C₂上可收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的體積=0.25mol×3×22.4L/mol=16.8L，
故答案為：16.8L；

點(diǎn)評 本題考查了化學(xué)平衡影響因素、平衡標(biāo)志、原電池和電解池工作原理及其應(yīng)用、熱化學(xué)方程式酸性等知識，題目難度中等，試題知識點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查學(xué)生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識的能力，注意原電池和電解池工作原理中的電子守恒應(yīng)用和熱化學(xué)方程式的書寫原則．