Question

10．“潔凈煤技術”研究在世界上相當普遍，科研人員通過向地下煤層氣化爐中交替鼓入空氣和水蒸氣的方法，連續(xù)產(chǎn)出了高熱值的煤炭氣，其主要成分是CO和H₂．CO和H₂可作為能源和化工原料，應用十分廣泛．生產(chǎn)煤炭氣的反應之一是：C （s）+H₂O （g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.4kJ/mol

（1）在容積為3L的密閉容器中發(fā)生上述反應，5min后容器內(nèi)氣體的密度增大了0.12g/L，用H₂O表示0～5min的平均反應速率為0.002mol∕L•min．
（2）關于上述反應在化學平衡狀態(tài)時的描述正確的是AC．

A．CO的含量保持不變
B．v_正（H₂O）=v_正（H₂）
C．容器中混合氣體的平均相對分子質量保持不變
（3）若上述反應在t₀時刻達到平衡（如圖1），在t₁時刻改變某一條件，請在右圖中繼續(xù)畫出t₁時刻之后
正反應速率隨時間的變化：
①縮小容器體積，t₂時到達平衡（用實線表示）；
②t₃時平衡常數(shù)K值變大，t₄到達平衡（用虛線表示）．
（4）在一定條件下用CO和H₂可以制得甲醇，CH₃OH和CO的燃燒熱為別725.8kJ/mol，283.0kJ/mol，水的摩爾蒸發(fā)焓為44.0 kJ/mol，寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水的熱化學方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8kJ∕mol．
（5）如圖2所示，以甲醇燃料電池作為電源實現(xiàn)下列電解過程．乙池中發(fā)生反應的離子方程式為2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂+4H⁺．當甲池中增重16g時，丙池中理論上產(chǎn)生沉淀質量的最大值為34.8g．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)反應方程式可知，氣體增加的質量為固體碳的質量，根據(jù)m=ρV計算出反應消耗碳的質量，然后根據(jù)n=$\frac{m}{M}$計算出其物質的量，最后根據(jù)反應方程式及反應速率表達式計算出用H₂O表示0～5miin的平均反應速率；
（2）可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據(jù)此進行判斷；
（3）根據(jù)影響化學反應速率的因素畫出正反應速率變化的曲線；
（4）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•mol^-1，水的摩爾蒸發(fā)焓為44.0 kJ/mol，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=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由蓋斯定律可知用②-①+③×2得到熱化學方程式；
（5）圖2中甲池為原電池，通入甲醇的電極為負極，銅氧氣的電極為正極，則乙池中石墨為陽極，銀為陰極，溶液中銅離子在銀電極析出，丙中與銀連接的Pt電極為陽極，另一個電極為陰極，丙中與銀連接的Pt電極為陽極，另一個電極為陰極，電極反應為陽極：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，陰極為2H⁺+2e^-=H₂↑，MgCl₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$Mg（OH）₂↓+H₂↑+Cl₂↑，甲池中發(fā)生的反應為：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，溶液中甲醇和氧氣反應后導致溶液質量增大，每反應2mol甲醇和3mol氧氣反應溶液質量增加=2mol×32g/mol+3mol×32g/mol=160g，電子轉移為12mol，當甲池中增重16g時，電子轉移1.2mol，電子守恒得到丙池中理論上產(chǎn)生沉淀為氫氧化鎂質量；

解答 解：（1）在容積為3L的密閉容器中發(fā)生上述反應，5min后容器內(nèi)氣體的密度增大了0.12g/L，根據(jù)反應C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可知，氣體增加的質量為參加反應的固體C的質量，則反應消耗碳的物質的量為：$\frac{0.12g/L×3L}{12g/mol}$=0.03mol，該反應過程中消耗水的物質的量也為0.03mol，則用H₂O表示0～5miin的平均反應速率為：$\frac{\frac{0.03mol}{3L}}{5min}$=0.002mol/（L•min），
故答案為：0.002mol/（L•min）；
（2）A．CO的含量保持不變是平衡標志，故A正確；
B．反應速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比為正反應速率之比，v_正（H₂O）=v_逆（H₂），則v_逆（H₂）=v_正（H₂），反應達到平衡狀態(tài)，v_正（H₂O）=v_正（H₂）
，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故B錯誤；
C．氣體質量不變，氣體物質的量增大，容器中混合氣體的平均相對分子質量保持不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故C正確；
故答案為：AC；
（3）①t₁時縮小容器體積，反應體系的壓強增大，正逆反應速率都增大，直至t₂時重新達到平衡；
②t₃時平衡常數(shù)K增大，說明平衡向著正向移動，說明升高了溫度，之后正反應速率逐漸減小，直至達到新的平衡，
根據(jù)以上分析畫出的圖象為：，
故答案為：．
（4）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•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=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由蓋斯定律可知用②-①+③×2得反應CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（g），該反應的反應熱△H=-725.8kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）+2×44KJ/mol=-354.8kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH （l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O （g）△H=-354.8 kJ∕mol；
（5）圖2中甲池為原電池，通入甲醇的電極為負極，銅氧氣的電極為正極，則乙池中石墨為陽極，銀為陰極，溶液中銅離子在銀電極析出，Cu²⁺+2e^-=Cu，陽極上是氫氧根離子放電生成氧氣，所以電極反應為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，電池反應的離子方程式為：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂+4H⁺，丙中與銀連接的Pt電極為陽極，另一個電極為陰極，電極反應為陽極：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，陰極為2H⁺+2e^-=H₂↑，MgCl₂+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$Mg（OH）₂↓+H₂↑+Cl₂↑，甲池中發(fā)生的反應為：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，溶液中甲醇和氧氣反應后導致溶液質量增大，每反應2mol甲醇和3mol氧氣反應溶液質量增加=2mol×32g/mol+3mol×32g/mol=160g，電子轉移為12mol，當甲池中增重16g時，電子轉移1.2mol，電子守恒得到丙池中理論上產(chǎn)生沉淀為氫氧化鎂，依據(jù)化學方程式，生成1mol氫氧化鎂，電子轉移2mol電子，則電子轉移1.2mol，生成沉淀氫氧化鎂0.6mol，計算得到物質的量為質量=0.6mol×58g/mol=34.8g，
故答案為：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂+4H⁺，34.8；

點評 本題考查了化學平衡的計算、化學平衡狀態(tài)的判斷、化學平衡的影響因素、電解池和原電池原理的計算等知識，題目難度中等，明確影響化學反應速率的因素為解答關鍵，試題側重考查學生的分析能力及化學計算能力．