Question

13．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)生下列三個反應：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
請回答下列問題：
（1）△H₃=-41.8kJ/mol．
（2）溫度升高對反應②的影響是反應速率加快，有利于向正反應方向移動．
（3）甲醇使用不當會導致污染，可用電解法消除這種污染．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．
①電解時，陽極的電極反應式為Co²⁺-e^-═Co³⁺．
②Co³⁺氧化CH₃OH的離子方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．
（4）控制反應條件，反應①中的產(chǎn)物也可以用來合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化學方程式為：
3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡轉化率隨氫碳比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的變化如圖所示：
①合成二甲醚的最佳氫碳比為1：1．
②對于氣相反應，用某組分B的平衡分壓P_B代替物質的量濃度c（B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），水煤氣合成二甲醚反應的平衡常數(shù)K_P表達式為$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．
（5）在標態(tài)（反應物和產(chǎn)物都處于100kPa）和T（K）條件下由穩(wěn)定單質生成1mol化合物的焓變稱為該物質在T（K）時的標準焓，用符號△H⁰表示．已知石墨和一氧化碳的燃燒熱△H分別為-393.5kJ/mol和-283.0kJ/mol，則CO（g）的△H⁰為-110.5kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式的焓變；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反應是氣體體積增大的吸熱反應，升溫增大反應速率平衡正向進行；
（3）①將Co²⁺氧化為Co³⁺，電極上發(fā)生失電子的氧化反應；
②Co³⁺將甲醇氧化為二氧化碳，本身被還原為Co，電解質環(huán)境是酸性的，根據(jù)電子守恒配平方程式即可；
（4）①依據(jù)化學方程式定量關系分析按照化學方程式中定量關系是恰好反應的最佳比；
②3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應的平衡常數(shù)K_P表達式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應物平衡分壓冪次方乘積；
（5）依據(jù)燃燒熱的定義可寫出相應的熱化學方程式，再利用蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式．

解答 解：（1）CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
依據(jù)蓋斯定律計算②-①得到③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.8 kJ/mol，
故答案為：-41.8 kJ/mol；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反應是氣體體積增大的吸熱反應，升高溫度反應速率加快，升高溫度有利于反應②向正反應方向移動，
故答案為：反應速率加快，有利于向正反應方向移動；
（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，電極反應為：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⁺；
（3）①Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②6 Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6 Co²⁺+6 H⁺（2分）
（4）①3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），圖象分析可知在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡轉化率隨氫碳比1：1，
故答案為：1：1；
②3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應的平衡常數(shù)K_P表達式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應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：$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$；
（5）石墨和一氧化碳的燃燒熱△H分別為-393.5kJ/mol和-283.0kJ/mol，的燃燒熱的熱化學方程式為
①C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算①-②，得到C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）△H⁰=-110.5 kJ/mol，
CO（g）的△H⁰為-110.5 kJ/mol，
故答案為：-110.5 kJ/mol．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫、電解池原理分析和電極反應書寫、主要是反應生成焓的計算，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．