Question

4．焦炭與CO、H₂均是重要的能源，也是重要的化工原料．
（1）已知C、H₂、CO的燃燒熱（△H）分別為-393.5kJ•mol^-1、-285.8kJ•mo
l^-1、-283kJ•mol^-1，又知水的氣化熱為+44kJ/mol．
①焦炭與水蒸氣反應(yīng)生成CO、H₂的熱化學(xué)方程式為C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol
②若將足量焦炭與2mol水蒸氣充分反應(yīng)，當(dāng)吸收能量為191.7kJ時(shí)，則此時(shí)H₂O（g）的轉(zhuǎn)化率為73%．
（2）將焦炭與水蒸氣置于容積為2L的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：
C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），其中H₂O、CO的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化曲線如圖所示．
①第一個(gè)平衡時(shí)段的平衡常數(shù)是0.017，（保留2位有效數(shù)字），若反應(yīng)進(jìn)行到2min時(shí)，改變了溫度，使曲線發(fā)生如圖所示的變化，則溫度變化為升溫（填“升溫”或“降溫”）．
②反應(yīng)至5min時(shí)，若也只改變了某一個(gè)條件，使曲線發(fā)生如圖所示的變化，該條件可能是下述中的b．
A．增加了C    B．增加了水蒸氣    C．降低了溫度    D．增加了壓強(qiáng)
（3）假設(shè)（2）中反應(yīng)在第2min時(shí)，將容器容積壓縮至1L，請?jiān)谏蠄D中繪制出能反映H₂O、CO物質(zhì)的量變化趨勢的圖象．
（4）若以CO、O₂、K₂CO₃等構(gòu)成的熔融鹽電池為動力，電解400mL飽和食鹽水，則負(fù)極上的電極反應(yīng)式為CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，當(dāng)有5.6g燃料被消耗時(shí)，電解池中溶液的pH=14（忽略溶液的體積變化，不考慮能量的其它損耗）．

Answer 1

分析 （1）①由C、H₂、CO的燃燒熱（△H）分別為-393.5kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1、-283kJ•mol^-1，以及水的氣化熱為+44kJ/mol，可得①C（s）+O₂（g）═CO₂（g），△H=-393.5 kJ/mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l），△H=-285.8kJ/mol；③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g），△H=-283.0kJ•mol^-1；④H₂O（g）=H₂O（l），△H=-44kJ/mol；根據(jù)蓋斯定律，將①+④-②-③可得碳與水蒸氣反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
②根據(jù)熱化學(xué)方程式以及反應(yīng)中放出的熱量計(jì)算參加反應(yīng)的水蒸氣，再根據(jù)轉(zhuǎn)化率=$\frac{已轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量}{起始總物質(zhì)的量}$×100%計(jì)算；
（2）①根據(jù)圖象可知，在第一個(gè)平衡時(shí)段的CO的物質(zhì)的量為0.2mol，則此時(shí)生成的H₂也是0.2mol，反應(yīng)體系中水的物質(zhì)的量為1.2mol，可得知物質(zhì)的平衡濃度，再根據(jù)K=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）}$計(jì)算，反應(yīng)進(jìn)行至2min時(shí)，根據(jù)圖象知，相同時(shí)間內(nèi)，水和一氧化碳的物質(zhì)的量變化量大于0-1min內(nèi)，說明反應(yīng)速率增大，根據(jù)溫度對反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的移動的影響分析；
②反應(yīng)至第5min時(shí)，CO的物質(zhì)的量不變，水的物質(zhì)的量增大，說明改變的量是水的物質(zhì)的量；
（3）將容器容積壓縮至1L，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率變大且平衡逆向移動，H₂O的物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上會增大、CO物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上會減小；
（4）該燃料電池中，通入CO的電極為負(fù)極，負(fù)極上CO失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，通入O₂的電極為正極，正極上氧氣得電子和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸根離子，根據(jù)電子得失守恒計(jì)算電解食鹽水中產(chǎn)生的氫氧根離子的物質(zhì)的量，進(jìn)而確定pH值，據(jù)此答題．

解答 解：（1）①由C、H₂、CO的燃燒熱（△H）分別為-393.5kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1、-283kJ•mol^-1，以及水的氣化熱為+44kJ/mol，可得①C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5 kJ/mol；②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol；③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1；④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，將①+④-②-③可得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol，
故答案為：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol；
②根據(jù)熱化學(xué)方程式C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=+131.3kJ/mol，當(dāng)吸收能量為191.7kJ時(shí)，參加反應(yīng)的水蒸氣的物質(zhì)的量為$\frac{191.7kJ}{131.3kJ/mol}$=1.46mol，所以水的轉(zhuǎn)化率=$\frac{1.46}{2}$×100%=73%，
故答案為：73%；
（2）①根據(jù)圖象可知，在第一個(gè)平衡時(shí)段的CO的物質(zhì)的量為0.2mol，則此時(shí)生成的H₂也是0.2mol，反應(yīng)體系中水的物質(zhì)的量為1.2mol，容積為2L，所以此時(shí)CO的平衡濃度為0.1mol/L，H₂的平衡濃度為0.1mol/L，H₂O的平衡濃度為0.6mol/L，則K=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.1×0.1}{0.6}$=0.017，
應(yīng)進(jìn)行至2min時(shí)，根據(jù)圖象知，相同時(shí)間內(nèi)，水和一氧化碳的物質(zhì)的量變化量大于0-1min內(nèi)，說明反應(yīng)速率增大，水蒸氣的物質(zhì)的量減少，一氧化碳的物質(zhì)的量增加，說明平衡向正反應(yīng)方向移動，而該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則該改變的條件只能是升高溫度，
故答案為：0.017；升溫； 
②反應(yīng)至第5min時(shí)，CO的物質(zhì)的量不變，水的物質(zhì)的量增大，說明改變的量是增加水的物質(zhì)的量，隨反應(yīng)進(jìn)行水蒸氣減小，一氧化碳增大，平衡正向進(jìn)行；
a、增加了C是固體，不影響化學(xué)平衡，故a錯誤；
b、增加了水蒸氣，5min時(shí)，CO的物質(zhì)的量不變，水的物質(zhì)的量增大，故b正確；
c、反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，降低了溫度平衡逆向進(jìn)行，圖象不符合，故c錯誤；
d、增加了壓強(qiáng)，平衡逆向進(jìn)行，不符合圖象變化，故d錯誤；
故答案為：b；
（3）將容器容積壓縮至1L，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率變大且平衡逆向移動，H₂O的物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上會增大、CO物質(zhì)的量在原來的基礎(chǔ)上會減小，所以H₂O、CO物質(zhì)的量變化趨勢的圖象為，故答案為：；
（4）該燃料電池中，通入CO的電極為負(fù)極，負(fù)極上CO失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，負(fù)極反應(yīng)式為CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，當(dāng)有5.6g（即0.2mol）CO被消耗時(shí)，電路中流過的電子的物質(zhì)的量為0.4mol，根據(jù)電解方程式2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑～2e^-可知，電解池中產(chǎn)生的氫氧化鈉的物質(zhì)的量為0.4mol，所以氫氧化鈉的濃度為$\frac{0.4}{0.4}$mol/L=1mol/L，所以溶液的pH=14，
故答案為：CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；14．

點(diǎn)評 本題考查了熱化學(xué)方程式、影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的因素、電極反應(yīng)式的書寫、電解池的計(jì)算等知識點(diǎn)，明確蓋斯定律和化學(xué)平衡移動原理及電子得失守恒是解題目的關(guān)鍵，題目難度中等．