Question

碳的氧化物对环境的影响较大，研究和开发碳的氧化物的应用对发展低碳经济，构建生态文明社会具有重要的意义。

(1)已知：①甲醇的燃烧热ΔH＝－726.4 kJ·mol^－1；

②H₂(g)＋O₂(g)=H₂O(l)　ΔH＝－285.8 kJ·mol^－1

③H₂O(g)=H₂O(l) ΔH＝－44 kJ·mol^－1　

则二氧化碳和氢气合成液态甲醇、生成气态水的热化学方程式为_____________。

(2)在T₁时，向体积为2L的恒容容器中充入物质的量之和为3mol的CO和H₂，发生反应CO(g)＋2H₂(g)⇌CH₃OH(g)，反应达到平衡时CH₃OH(g)的体积分数(φ)与 的关系如图所示：

①当起始＝2时，经过5min达到平衡，CO的转化率为0.6，则0～5min内平均反应速率v(H₂)＝______。若此刻再向容器中加入CO(g)和CH₃OH(g)各0.4mol，达到新平衡时H₂的转化率将________(填“增大”“减小”或“不变”)。

②当＝3.5时，达到平衡后，CH₃OH的体积分数可能是图像中的________(填“D”“E”或“F”)点。

(3)已知由CO₂生成CO的化学方程式为CO₂(g)＋O(g)⇌CO(g)＋O₂(g)，其正反应速率为v_正＝k_正·c(CO₂)·c(O)，逆反应速率为v_逆＝k_逆·c(CO)·c(O₂)，k为速率常数。2500 K时，k_逆＝1.21×10⁵L·s^－1·mol^－1，k_正＝3.02×10⁵L·s^－1·mol^－1，则该温度下该反应的平衡常数K为________。(保留小数点后一位小数)

(4)CH₃OH—O₂在新型聚合物催化下可发生原电池反应，其装置如图：

①外电路中每转移3mol电子，溶液中生成_______molH^＋

②写出电极B的电极反应式：__________。

Answer

CO2(g)＋3H2(g)=CH3OH(l)＋H2O(g) ΔH＝－87.0 kJ·mol－1 0.12 mol·L－1·min－1 增大 F 2.5 3 O2＋2e－＋H＋=

【解析】

(1)根据盖斯定律分析；

(2)①根据CO和H2的总量以及二者的比例计算CO与氢气各自的物质的量，利用三段式计算平衡时各组分物质的量、各组分物质的量变化量，根据计算反应速率；先计算该温度下平衡常数K，再计算浓度商Qc，与平衡常数K相比判断反应进行分析，可以确定氢气转化率变化；

(3)根据平衡时正逆反应速率相等确定速率常数和平衡常数的关系；

(4)根据图示该电池放电时CH3OH转化为CO2，碳元素化合价升高被氧化，所以A电极为负极，O2转化为HO，氧元素化合价降低被还原，所以B为电池的正极。

(1)甲醇的燃烧热化学方程式为①CH3OH(l)+O2(g)=2H2O(l)+CO2(g) ΔH＝-726.4 kJ·mol－1；

又已知②H2(g)＋O2(g)=H2O(l) ΔH＝-285.8 kJ·mol－1；

③H2O(g)=H2O(l) ΔH＝-44 kJ·mol－1；

二氧化碳和氢气合成液态甲醇、生成气态水的热化学方程式为：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(g)，根据盖斯定律②×3-①-③得ΔH=(-285.8 kJ·mol－1)×3-(-726.4 kJ·mol－1)-(-44 kJ·mol－1)=-87 kJ·mol－1；则热化学方程式为CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(g) ΔH=-87 kJ·mol－1；

(2)①=2，二者物质的量之和为3mol，所以n(H2)=2mol，n(CO)=1mol。平衡时CO的转化率为0.6，则列三段式为：

所以0～5mi内，Δn(H2)=1.2mol，容器体积为2L，所以v(H2)==0.12mol·L－1·min－1；

容器体积为2L，结合三段式可知平衡时c(H2)=0.4mol/L，c(CO)=0.2mol/L，c(CH3OH)=0.3mol/L，所以该温度下平衡常数K=，再向容器中加入CO(g)和CH3OH(g)各0.4mol，则此时c(CO)=0.4mol/L，c(CH3OH)=0.5mol/L，浓度商为<9.375，所以平衡会正向移动，氢气的转化率增大；

②对于可逆反应，当反应物的投料比等于计量数之比时，产物的占比最大，所以当=2时，甲醇的体积分数最大，所以=3.5时，平衡时甲醇的体积分数可能为图中F点；

(3)反应平衡正逆反应速率相等，即v正＝k正·c(CO2)·c(O)=v逆＝k逆·c(CO)·c(O2)，此时，而该反应的平衡常数K===≈2.5；

(4)①电解质溶液为酸性溶液，结合分析，A极的电极反应为CH3OH-6e－+H2O=CO2+6H+，B极的电极反应式为O2＋2e－＋H＋=；根据电子守恒可知外电路中每转移3mol电子，溶液中生成3molH+；

②B极为正极，得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2e－＋H＋=。