Question

14．甲醇合成反應及其能量變化如圖a所示：

（1）寫出合成甲醇的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol．
（2）實驗室在1L的密閉容器中進行模擬合成實驗．將1mol CO和2mol H₂通入容器中，分別恒溫在300℃和500℃反應，每隔一段時間測得容器內CH₃OH的濃度如下表所示：

時間濃度（mol/L）溫度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

在300℃反應開始10min內，H₂的平均反應速率為v（H₂）=0.08mol/（L•min）．
（3）在500℃達到平衡時，平衡常數K=25．
（4）在另一體積不變的密閉容器中，充入1.2mol CO和2.0mol H₂，一定條件下達到平衡，測得容器中壓強為起始壓強的一半．計算該條件下H₂的轉化率為80%．
（5）銅基催化劑具有活性高、選擇性好和條件溫和的特點，已廣泛地使用于CO/CO₂的加氫合成甲醇．使用銅基催化劑后，該反應中a的大小變化對反應熱△H有無影響，無影響．（填“有影響”或“無影響”）
（6）2009年，長春應用化學研究所在甲醇燃料電池技術上獲得新突破，原理如圖b所示．請寫出從C口通入O₂發生的電極反應式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
（7）用上述電池做電源，用圖c裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極）．
①該反應的離子方程式2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑．
②電解開始后在電極C₂的周圍（填“C₁”或“C₂”）先出現紅色．

Answer 1

分析 （1）由圖可知，1molC（s）與2molH₂（g）反應生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，注明物質的聚集狀態與反應熱書寫熱化學方程式；
（2）根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）；
（3）500℃達到平衡時，40min處于平衡狀態，計算平衡時各組分物質的量濃度，再根據平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算；
（4）恒溫恒容條件下，壓強之比等于物質的量之比，據此計算平衡時混合氣體總物質的量，利用差量法計算參加反應氫氣物質的量，進而計算氫氣的轉化率；
（5）反應熱只與始態與終態有關，與反應過程無關；
（6）氧氣發生還原反應，與通過質子交換膜的氫離子結合生成水；
（7）①電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣；
②C₁連接電源正極，為陽極，C₂連接電源負極，為陰極，電解過程中，陽極氯離子失去生成氯氣，陰極水電離的氫離子得到電子生成氫氣，同時產生氫氧根離子．

解答 解：（1）由圖可知，1molC（s）與2molH₂（g）反應生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，應的熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
（2）在300℃反應開始10min內，生成的甲醇為0.4mol，則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.4mol}{1L}}{10min}$=0.04mol/（L•min），H₂的平均反應速率為v（H₂）=2V（CH₃OH）=0.08mol/（L•min）；
故答案為：0.08mol/（L•min）；
（3）500℃達到平衡時，40min處于平衡狀態，平衡時甲醇的濃度為0.8mol/L，則：
              CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）：1     2       0
變化量（mol/L）：0.8   1.6    0.8
平衡量（mol/L）：0.2   0.4    0.8
平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，
故答案為：25；
（4）恒溫恒容條件下，壓強之比等于物質的量之比，平衡時混合氣體總物質的量為（1.2mol+2.0mol）×$\frac{1}{2}$=1.6mol，即混合氣體減小的物質的量為1.6mol，
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）物質的量減小
        2                    2
        1.6mol               1.6mol
故該條件下H₂的轉化率為=$\frac{1.6mol}{2mol}$×100%=80%；
故答案為：80%；
（5）反應中的a是反應的活化能，影響因素是催化劑，反應熱只與始態與終態有關，與反應過程無關，所以對反應熱的影響無關；
故答案為：無影響；
（6）氧氣發生還原反應，與通過質子交換膜的氫離子結合生成水，電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（7）①電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣，反應離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，
故答案為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
②C₁連接電源正極，為陽極，C₂連接電源負極，為陰極，電解過程中，陽極氯離子失去生成氯氣，陰極水電離的氫離子得到電子生成氫氣，同時產生氫氧根離子，所以在陰極C₂先變紅，
故答案為：C₂．

點評 本題考查化學平衡計算、熱化學方程式書寫、電化學等，需要學生熟練掌握基礎知識并靈活應用，題目難度中等．