Question

7．煤、天然氣是社會生產、生活中重要的能源．
（1）工業上常把煤進行氣化和液化處理，使煤變成清潔能源．煤氣化和液化流程示意圖如下：

①已知H₂、CO和CH₃OH的燃燒熱△H分別為-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1．寫出由CO和H₂合成甲醇的熱化學方程式CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol
②煤進行氣化和液化的優點是利用率高，污染小
（2）天然氣催化重整也可生成CO和H₂
①500℃，向一體積可變的密閉容器中充入一定量CH₄和水蒸氣進行催化重整，下列能說明反應一定處于平衡狀態的是AD
A．混合氣體的密度不隨時間變化         B．CO和H₂的體積分數之比不隨時間變化
C．V_正（CH₄）=3v_逆（H₂）                   D．混合氣體的平均相對分子質量不隨時間變化
②CO和H₂可用作燃料電池．一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖：

寫出A電極反應式H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂ CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂
（3）CO一旦泄露會造成污染，環保檢測中，有害氣體的濃度常用1L有害氣體的毫克值（mg/L）來表示，如對某氣體樣品中所含一氧化碳的濃度進行測定，其方法和實驗步驟如下：
①首先將2.00L的氣體樣品通過盛有I₂O₅固體的加熱管，反應后生成CO₂和I₂；
②用30.0mL 5.00×10^-3mol/L的硫代硫酸鈉溶液恰好吸收所產生的碘，發生的反應為：
I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-，則樣品中CO的濃度為5.25 mg/L．

Answer 1

分析 （1）①根據燃燒熱的概念以及蓋斯定律來計算化學反應的焓變；
②依據原料的利用率和對環境的影響分析判斷；
（2）①化學反應達到平衡的標志是正逆反應速率相同，個組分含量保持不變，及其衍生出的各種物理量不變分析判斷；
②甲烷和水經催化重整生成CO和H₂，反應中C元素化合價有-4價升高到+2價，H元素化合價由+1價降低到0價，原電池工作時，CO和H₂為負極反應，被氧化生成二氧化碳和水，正極為氧氣得電子生成CO₃^2-，以此解答該題；
（3）根據關系式2Na₂S₂O₃～I₂，計算硫代硫酸鈉溶液吸收所產生的碘后剩余的Na₂S₂O₃物質的量，進而計算CO還原出的I₂消耗Na₂S₂O₃的物質的量，再根據關系式：2Na₂S₂O₃～I₂～5CO，計算CO的物質的量，據此計算CO的濃度．

解答 解：（1）①由H₂（g）的燃燒熱△H為-285.8kJ•mol^-1知，1molH₂（g）完全燃燒生成1molH₂O（l）放出熱量285.8kJ，
即a、H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
b、CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
c、CH₃OH（l）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，
由蓋斯定律可知，a×2+b-c得：CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol，
故答案為：CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol；  
②煤進行氣化和液化的優點是原料全部被產品消納（或原料全部轉化為產品，或原子利用率100%等），實現“零排放”或不對環境造成污染等，
故答案為：利用率高，污染小；
（2）①天然氣催化重整也可生成CO和H₂，500℃，向一體積可變的密閉容器中充入一定量CH₄和水蒸氣進行催化重整，反應的化學方程式為CH₄+H₂O=CO+3H₂，是氣體體積增大的反應，
A．體積可變的密閉容器，氣體質量不變，體積若不變化，則混合氣體的密度不隨時間變化 說明反應達到平衡狀態，故A正確；
B．CO和H₂的體積分數之比不隨時間變化一氧化碳和氫氣生成物質的量之比始終相同，不能說明反應達到平衡狀態，故B錯誤；
C．反應速率之比等于化學方程式計量數之比，為正反應速率之比，當3V_正（CH₄）=v_逆（H₂）時反應達到平衡狀態，所以V_正（CH₄）=3v_逆（H₂）不能說明反應達到平衡狀態，故C錯誤；
D．反應前后氣體質量不變，氣體物質的量變化，若混合氣體的平均相對分子質量不隨時間變化，說明反應達到平衡狀態，故D正確；
故答案為：AD；  
②電解質沒有OH^-，負極反應為：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂ ，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂，
故答案為：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂；
（3）CO與I₂O₅反應生成CO₂和I₂，碳元素化合價由+2價升高為+4價，共升高2價，碘元素化合價由+5價降低為0價，共降低10價，化合價升降最小公倍數為10，故CO系數為5，I₂O₅系數為1．由原子守恒可知CO₂系數為5，I₂系數為1，反應方程式為5CO+I₂O₅=5CO₂+I₂．
  關系式：2Na₂S₂O₃～I₂～5CO
         2mol            5mol
   0.030.0L×5.00×10^-3mol/L  y
解得：y=3.75×10^-4mol
CO的濃度為$\frac{3.75×1{0}^{-4}mol×28g/mol}{2L}$=5.25×10^-3g/L=5.25mg/L．
故答案為：5.25 mg/L；

點評 本題考查熱化學方程式書寫，化學平衡狀態分析判斷方法，原電池原理的理解應用，氧化還原反應的滴定計算等，難度中等，對于多步反應計算通常利用關系式解答，理解關系式并熟練運用．