Question

14．碳和碳的化合物在生產(chǎn)、生活中有重要作用，甲醇水蒸氣重整制氫系統(tǒng)可能發(fā)生下列三個(gè)反應(yīng)：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₁=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
回答下列問(wèn)題：
（1）△H₃=-41.8 kJ/mol；
（2）以CO、H₂為原料合成甲醇的反應(yīng)為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在體積均為2L的三個(gè)恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH₂，三個(gè)容器的反應(yīng)溫度分別為T(mén)₁、T₂、T₃且恒定不變．圖1為三個(gè)容器中的反應(yīng)均進(jìn)行到5min時(shí)H₂的體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中有一個(gè)容器反應(yīng)一定達(dá)到平衡狀態(tài)．CO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖2所示．

①0～5min時(shí)間內(nèi)容器II中用CH₃OH表示的反應(yīng)速率為0.0875mol/（L•min）．
②三個(gè)容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器II．
③平衡常數(shù)最大的是容器I．
④工業(yè)實(shí)際合成CH₃OH生產(chǎn)中，常用圖中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡知識(shí)，同時(shí)考慮生產(chǎn)實(shí)際，說(shuō)明選擇該反應(yīng)條件的理由：相對(duì)于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對(duì)設(shè)備要求不高．
（3）甲醇使用不當(dāng)會(huì)造成其對(duì)水質(zhì)的污染，用電化學(xué)可消除這種污染，其原理是電解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH混合溶液，將Co²⁺氧化成Co³⁺，Co³⁺再將CH₃OH氧化成CO₂．
①電解時(shí)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺氧化CH₃OH的離子方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺．
（4）控制反應(yīng)條件，反應(yīng)①中的產(chǎn)物也可以用來(lái)合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化學(xué)方程式為3H₂（g）+3CO（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡分壓（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），水煤氣合成二甲醚的反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K_P=$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式的焓變；
（2）①利用三段式求出反應(yīng)生成的甲醇的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算；
②達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最��；
③該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大；
④根據(jù)溫度、壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響以及對(duì)設(shè)備的要求分析；
（3）①將Co²⁺氧化為Co³⁺，電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)；
②Co³⁺將甲醇氧化為二氧化碳，本身被還原為Co，電解質(zhì)環(huán)境是酸性的，根據(jù)電子守恒配平方程式即可；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)K_P表達(dá)式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡分壓冪次方乘積．

解答 解：（1）①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算②-①得到③：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.8 kJ/mol，
故答案為：-41.8 kJ/mol；
（2）①設(shè)反應(yīng)生成的甲醇物質(zhì)的量為x，
                   CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
開(kāi)始（mol）：1           2                  0
轉(zhuǎn)化（mol）：x           2x                 x
平衡（mol）：1-x        2-2x              x
到5min時(shí)，氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.2，則$\frac{2-2x}{（1-x）+（2-2x）+x}$=0.2，則x=$\frac{7}{8}$，
則v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{\frac{7}{8}mol}{2L}}{5min}$=0.0875mol/（L•min），
故答案為：0.0875mol/（L•min）；
②達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，II對(duì)應(yīng)的氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，所以II可能達(dá)到了平衡狀態(tài)；
故答案為：II；
故答案為：0.0875mol/（L•min）；②Ⅲ；（1分）
③由圖2可知，升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率減小，即向逆反應(yīng)移動(dòng)，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大，K越大，已知I的溫度最低，則其K最大；
故答案為：I；
④相對(duì)于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對(duì)設(shè)備要求不高，
故答案為：相對(duì)于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對(duì)設(shè)備要求不高；
（3）①其原理是電解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH的混合溶液，將Co²⁺氧化為Co³⁺，Co³⁺再將CH₃OH氧化成CO₂．
電解池中該電極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：Co²⁺-e^-═Co³⁺，
故答案為：Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺將甲醇氧化為二氧化碳，本身被還原為Co，即6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)K_P表達(dá)式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡分壓冪次方乘積$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$；
故答案為：$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了反應(yīng)熱的計(jì)算、化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率與平衡常數(shù)、電解原理的應(yīng)用等，注意理解掌握化學(xué)平衡的計(jì)算方法，難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力．