Question

【題目】合成氨工業(yè)涉及固體燃料的氣化，需要研究CO2與CO之間的轉(zhuǎn)化。為了弄清其規(guī)律，讓一定量的CO2與足量碳在體積可變的密閉容器中反應(yīng)：C(s)＋CO2(g) 2CO(g) H，測得壓強(qiáng)、溫度對CO、CO2的平衡組成的影響如圖所示，回答下列問題：

（1）p1、p2、p3的大小關(guān)系是________，圖中a、b、c三點(diǎn)對應(yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系是______________________。

（2）一定條件下，在CO2與足量碳反應(yīng)所得平衡體系中加入H2和適當(dāng)催化劑，有下列反應(yīng)發(fā)生：反應(yīng)1：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g) H1= a kJ/mol

反應(yīng)2：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) H2= b kJ/mol

① 則二氧化碳與氫氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷和水蒸氣的熱化學(xué)方程式是____________。

② 已知298 K時(shí)相關(guān)化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)為：

化學(xué)鍵	H—H	O—H	C—H
E/（kJ·mol-1）	436	465	413	1076

則根據(jù)鍵能計(jì)算，H1=________________。反應(yīng)1自發(fā)進(jìn)行的條件是___________。（填“較高溫度”、“較低溫度”、“任意溫度”）

（3）一定條件下，CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3，向固定容積為1 L的密閉容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，一段時(shí)間后達(dá)到平衡狀態(tài)，測得CH3OH(g)的物質(zhì)的量為1mol，則此條件下該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K =_________（用分?jǐn)?shù)表示）；若開始時(shí)充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)達(dá)到相同平衡狀態(tài)時(shí)，CH3OH的轉(zhuǎn)化率為_______；若平衡后再充入4 mol的N2，則c(CO2)和原平衡比較是_________。（填“增大”、“減小”、“不變”）

（4）如圖是甲醇燃料電池工作的示意圖，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極。工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同。

①甲中負(fù)極的電極反式為_______________，丙中C極的電極反應(yīng)式為___________。

② 乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為__________________。

Answer 1

【答案】p1<p2<p3 Ka=Kb<Kc CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1 -198 kJ·mol-1 較低溫度 50% 不變 CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O Cu-2e-=Cu2+ 2.24L

【解析】

（1）根據(jù)壓強(qiáng)對平衡移動(dòng)的影響分析壓強(qiáng)的大小關(guān)系；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，再結(jié)合圖像分析溫度對平衡移動(dòng)的影響，從而分析平衡常數(shù)的大小關(guān)系；

（2）①根據(jù)已知熱化學(xué)方程式，并結(jié)合蓋斯定律可得目標(biāo)熱化學(xué)方程式；

②H1=反應(yīng)物斷鍵吸收的能量-生成物成鍵放出的能量；先反應(yīng)1的H<0，S<0，若H-TS<0，反應(yīng)1能自發(fā)進(jìn)行，從而判斷應(yīng)為低溫條件反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行；

（3）根據(jù)已知信息列出三段式計(jì)算平衡常數(shù)；若開始時(shí)充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)達(dá)到相同平衡狀態(tài)，則平衡時(shí)CH3OH的物質(zhì)的量為1mol，從而計(jì)算甲醇的轉(zhuǎn)化率；容器容積固定不變，充入無關(guān)氣體，反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動(dòng)；

（4）甲醇燃料電池為原電池，通入甲醇的一極為負(fù)極，通入氧氣的一極為正極，乙、丙為電解池，乙中A為陽極，B為陰極，C為陽極，D為陰極，

①甲醇燃料電池為原電池，甲醇在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)；丙中C極為陽極，C為銅電極，則銅在陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；

②乙中為惰性電極電解100mL 1mol/LCuSO4溶液，已知A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，由分析可知，乙中A為陽極，產(chǎn)物為氧氣，B為陰極，銅離子先放電，然后氫離子放電得氫氣，設(shè)生成氣體物質(zhì)的量為x，再根據(jù)陰陽兩極轉(zhuǎn)移電子數(shù)相同進(jìn)行計(jì)算。

（1）對于反應(yīng)C(s)＋CO2(g) 2CO(g)，溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，CO的百分含量減小，則p1<p2<p3；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，則Ka=Kb，由圖像可知，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，則Kb<Kc；

故答案為：p1<p2<p3；Ka=Kb<Kc；

（2）① 根據(jù)已知熱化學(xué)方程式：反應(yīng)1：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g) H1= a kJ/mol；反應(yīng)2：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) H2= b kJ/mol；結(jié)合蓋斯定律可得，反應(yīng)1-反應(yīng)2可得目標(biāo)方程式CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1；

故答案為：CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1；

②H1=反應(yīng)物斷鍵吸收的能量-生成物成鍵放出的能量=（1076+3×436-4×413-2×465）kJ·mol-1=-198 kJ·mol-1；反應(yīng)1的H<0，S<0，若H-TS<0，反應(yīng)1能自發(fā)進(jìn)行，則應(yīng)為低溫條件；

故答案為：-198 kJ·mol-1；較低溫度；

（3）根據(jù)已知信息，可列出三段式：

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

開始（mol/L） 2 6 0 0

變化（mol/L） 1 3 1 1

平衡（mol/L） 1 3 1 1

則平衡常數(shù)為；

若開始時(shí)充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)達(dá)到相同平衡狀態(tài)，則平衡時(shí)CH3OH的物質(zhì)的量為1mol，則CH3OH的轉(zhuǎn)化率為；

容器容積固定不變，則平衡后再充入4 mol的N2，反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度不變，則平衡不移動(dòng)，則c(CO2)和原平衡比較不變；

故答案為：；50%；不變；

（4）甲醇燃料電池為原電池，通入甲醇的一極為負(fù)極，通入氧氣的一極為正極，乙、丙為電解池，乙中A為陽極，B為陰極，C為陽極，D為陰極，

①甲醇燃料電池為原電池，甲醇在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O；丙中C極為陽極，C為銅電極，則銅在陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則電極反應(yīng)式為Cu-2e-=Cu2+；

故答案為：CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O；Cu-2e-=Cu2+；

②乙中為惰性電極電解100mL 1mol/LCuSO4溶液，已知A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，由分析可知，乙中A為陽極，產(chǎn)物為氧氣，B為陰極，銅離子先放電，然后氫離子放電得氫氣，設(shè)生成氣體物質(zhì)的量為x，

A電極反應(yīng)式為：

2H2O-4e-=O2↑+4H+

4x x

B電極反應(yīng)式為：

Cu2++2e-=Cu； 2H++2e-=H2↑

0.1 0.2 2x x

根據(jù)得失電子守恒可得，0.2+2x=4x，解得x=0.1mol，則乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L；

故答案為：2.24L。