Question

16．據粗略統計，我國沒有處理排放的焦爐煤氣已超過250億立方米，這不僅是能源的浪費，也對環境造成極大污染．為解決這一問題，我國在2004年起已利用焦爐煤氣制取甲醇及二甲醚，其中甲醇產量在2012年末已達到500～600萬噸．請回答下列問題：
（1）已知CO中的C與O之間為三鍵連接，且合成甲醇的主要反應原理為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁．如表所列為常見化學鍵的鍵能數據：

化學鍵	C-C	C-H	H-H	C-O	C=O	H-O
鍵能/kJ•mol-1	348	414	436	326.8	1032	464

則該反應的△H₁=-128.8 kJ•mol^-1．
（2）二甲醚是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．已知利用焦爐氣合成二甲醚的三步反應如下：
�。�2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
①總反應：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-322.4kJ•mol^-1．
②下列描述中能說明上述總反應已達平衡的是C．
A．c（H₂）、c（CO）、c（CH₃OCH₃）、c（CO₂）均為0.1mol•L^-1
B．2v（H₂）_正=v（CH₃OCH₃）_逆
C．容器中氣體的壓強保持不變
D．單位時間內生成n mol CO的同時生成n mol H₂
③一定條件下的密閉容器中，該總反應達到平衡，要提高CO的轉化率，可以采取的措施是ace．
a．增大壓強   b．加入催化劑  c．減少CO₂的濃度  d．增加CO的濃度 e．分離出二甲醚
（3）①甲醇-空氣燃料電池（DMFC）是一種高效能、輕污染電動汽車的車載電池，其工作原理示意圖如圖甲，該燃料電池的電池反應式為2CH₃OH （g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l），則正極的電極反應式為4H⁺+4e^-+O₂=2H₂O．

②用上述電池做電源，用圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應的離子方程式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$ 2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，電解初始在電極C₂（填“C₁”或“C₂”）的周圍先出現紅色．
③當有8g甲醇完全反應，在C₂上可收集到標準狀況下氣體的體積為16.8L．

Answer 1

分析 （1）依據化學反應焓變=反應物鍵能總和-生成物鍵能總和計算，標注物質聚集狀態和對應反應的焓變寫出熱化學方程式；
（2）①�。�2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-128.8 kJ•mol^-1
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
依據蓋斯定律計算ii+iii+i×2得到反應的熱化學方程式；
②反應達到平衡狀態的標志是正逆反應速率相同，各組分含量保持不變以及衍生的各種關系，變量不變是本質；
③反應達到平衡，要提高CO的轉化率化學平衡正向進行；
（3）①酸性條件下，負極上甲醇失電子和水反應生成二氧化碳和氫離子，正極氧氣得到電子與氫離子反應生成水，據此寫出電極反應式；
②圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應是溶液中氫離子在C₂電極得到電子生成氫氣，水電離平衡正向進行，氫氧根離子濃度增大，氯離子在C₁電極失電子生成氯氣；
③依據電極反應電子守恒計算，原電池負極電極反應CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，和電解池陰極電極反應2H⁺+2e^-=H₂↑存在電子守恒；

解答 解：（Ⅰ）（1）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），反應的焓變可以根據反應物的總鍵能和生成物的總鍵能計算得到，焓變=反應物總鍵能之和-生成物總鍵能之和，依據圖表提供的化學鍵的鍵能計算得到，△H₁═1032KJ/mol+2×436KJ/mol-（3×414KJ/mol+326.8KJ/mol+464KJ/mol）=-128.8 kJ•mol^-1，
故答案為：-128.8；    
（2）①�。�2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-128.8 kJ•mol^-1
ⅱ．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
依據蓋斯定律計算ii+iii+i×2得到反應的熱化學方程式：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-322.4KJ/mol，
故答案為：-322.4；  
②3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-322.4KJ/mol，總反應是氣體體積減小的放熱反應，
A．c（H₂）、c（CO）、c（CH₃OCH₃）、c（CO₂）均為0.1mol•L^-1 ，不能證明正逆反應速率相同，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤；
B．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v（H₂）_正=3v（CH₃OCH₃）_逆 時，甲醚正逆反應速率相同反應達到平衡狀態，所以
2v（H₂）_正=v（CH₃OCH₃）_逆，不能說明反應達到平衡狀態，故B錯誤；
C．反應前后氣體物質的量變化，當容器中氣體的壓強保持不變說明反應達到平衡狀態，故C正確；
D．單位時間內生成n mol CO的同時生成n mol H₂，說明反應逆向進行，不能說明反應達到平衡狀態，故D錯誤；
故答案為：C；
③a．壓強增大，平衡向正反應方向移動，CO轉化率增大，故a正確；
b．催化劑可以增大反應速率，不改變化學平衡，CO轉化率不變，故b錯誤；
c．減少CO₂的濃度平衡向正反應反應移動，CO轉化率增大，故c正確；
d．增加CO的濃度，CO的轉化率反而減小，故d錯誤；
e．分離出二甲醚平衡向正反應反應移動，CO轉化率增大，故e正確，
故答案為：a c e；
（3）①酸性條件下，負極上甲醇失電子和水反應生成二氧化碳和氫離子，則負極的電極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；
正極氧氣得到電子結合氫離子反應生成水，正極電極反應式為：4H⁺+4e^-+O₂=2H₂O，
故答案為：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；
②圖乙裝置電解飽和食鹽水（C₁、C₂均為石墨電極），該反應是溶液中氫離子在陰極C₂電極得到電子生成氫氣，水電離平衡正向進行，氫氧根離子濃度增大，溶液中酚酞變紅色，氯離子在陽極C₁電極失電子生成氯氣，反應的離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，
故答案為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2OH^-+Cl₂↑+H₂↑，C₂；       
③原電池負極電極反應CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，和電解池陰極電極反應2H⁺+2e^-=H₂↑存在電子守恒，CH₃OH～3H₂↑～6e^-，當有8g甲醇完全反應物質的量=$\frac{8g}{32g/mol}$=0.25mol，在C₂上可收集到標準狀況下氣體的體積=0.25mol×3×22.4L/mol=16.8L，
故答案為：16.8L；

點評 本題考查了化學平衡影響因素、平衡標志、原電池和電解池工作原理及其應用、熱化學方程式酸性等知識，題目難度中等，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查學生的分析、理解能力及靈活應用基礎知識的能力，注意原電池和電解池工作原理中的電子守恒應用和熱化學方程式的書寫原則．