Question

18．碳和碳的化合物在生產、生活中的應用非常廣泛，在提倡健康生活已成潮流的今天，“低碳生活”不再只是一種理想，更是一種值得期待的新的生活方式．
（1）某經濟開發區將鈦冶煉廠與氯堿廠、甲醇廠組成了一個產業鏈（如圖1所示），大大地提高了資源利用率，減少了環境污染．

①由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
已知該反應在300℃時的化學平衡常數為0.27，該溫度下將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此時反應將向逆反應方向進行（填“向正反應方向進行”、“向逆反應方向進行”或“處于平衡狀態”）．
②寫出鈦鐵礦經氯化得到四氯化鈦的化學方程式：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO．
③若不考慮生產過程中物質的任何損失，該產業鏈中每合成38.4t甲醇，至少需額外補充H₂2.0t．
（2）將兩個石墨電極插入H₂SO₄溶液中，向兩極分別通入C₃H₈和O₂，構成丙烷燃料電池．
①負極電極反應式是：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②某同學利用丙烷燃料電池設計了一種電解法制取Fe（OH）₂的實驗裝置（如圖2所示），通電后，溶液中產生大量的白色沉淀，且較長時間不變色．下列說法中正確的是ABD（填序號）
A．電源中的a一定為正極，b一定為負極
B．可以用NaCl溶液作為電解液
C．A、B兩端都必須用鐵作電極
D．陰極發生的反應是：2H⁺+2e^-═H₂↑
（3）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入體積為2L的恒容密閉容器中，進行反應：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三組數據：

實驗組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	達到平衡所需時間/min
		H2O	CO	CO2
1	650	2	4	1.6	5
2	900	1	2	0.4	3
3	900	1	2	0.4	1

①該反應的正反應為放（填“吸”或“放”）熱反應；
②實驗2中，平衡常數K=$\frac{1}{6}$；
③實驗3跟實驗2相比，改變的條件可能是使用了催化劑或增大了壓強（答一種情況即可）．

Answer 1

分析 （1）①根據濃度熵數值和平衡常數的大小關系來判斷；
②從圖示可知氯化時的反應物、生成物，再根據得失電子和原子守恒即可得出該反應的方程式；
③根據CO和H₂合成甲醇的方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）以及2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得到相應關系式來計算；
（2）①根據C₃H₈和O₂構成丙烷燃料電池，負極丙烷失去電子生成二氧化碳氣體；
②A、B端析出氫氣可驅趕原溶液中溶解的少量氧氣；
B、電解液選用NaCl溶液不影響實驗，因為陽極是鐵失電子生成亞鐵離子，溶液中的陰離子不放電；
C、陽極應該用鐵電極，陰極用惰性電極亦可；
D、B電極反應是陰極氫離子放電生成氫氣；
（3）①比較第二組的第一組反應物的轉化率大小以及溫度對化學平衡和轉化率的影響來判斷；
②首先利用三段式計算出平衡時各物質的濃度，根據K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$計算；
③實驗3跟實驗2相比，溫度相同，濃度相同，但實驗3達到平衡所用時間少，反應速率更大，但平衡狀態沒有發生移動．

解答 解：（1）①將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此狀態的濃度熵Qc=$\frac{1}{1×1．{5}^{2}}$=0.44＞0.27，即Qc＞K，所以此時反應將向逆反應方向進行，
故答案為：向逆反應方向進行；
②從圖示可知氯化時的反應物為FeTiO₃、C、Cl₂，生成物為FeCl₃、TiCl₄、CO，再根據得失電子和原子守恒即可得出該反應的方程式為：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO，
故答案為：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO；
③由方程式2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得如下關系式：
6CH₃OH→6CO→7Cl₂→7H₂，而6CH₃OH→12H₂，故每生產6molCH₃OH（192g）需額外補充5molH₂（10g），則生產38.4t甲醇，至少需額外補充氫氣的質量為：$\frac{38.4×1{0}^{3}g}{192g}$×5×2g/mol=2.0t，
故答案為：2.0t；
（2）①C₃H₈和O₂構成丙烷燃料，電解質溶液為硫酸，則負極丙烷失去電子生成二氧化碳氣體，負極的電極反應式為：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺，
故答案為：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②A．因為生成的氫氣將裝置中原有氧氣溢出，所以氫氣從B端陰極析出，A電極則是鐵做陽極失去電子生成亞鐵離子，電源中的a與A相連，則a為正極，b與B相連，則b為負極，故A正確；
B．電解池中陽極是鐵失去電子發生氧化反應生成亞鐵離子，陰極是溶液中的氫離子得電子發生還原反應，所以電解質溶液中的陰離子不會在陽極失電子，所以選用NaCl溶液不影響實驗，故B正確；
C．陽極應該用鐵電極，陰極可以是鐵也可以是其他惰性電極，故C錯誤；
D．陰極氫離子放電，其電極反應為2H⁺+2e^-=H₂↑，故D正確；
故答案為：ABD；
（3）①實驗1中CO的轉化率為：$\frac{1.6mol}{4mol}$×100%=40%，實驗2中CO的轉化率為：$\frac{0.4mol}{2mol}$×100%=20%，則實驗1的轉化率大于實驗2，則說明溫度升高平衡向逆反應方向移動，正反應放熱，
故答案為：放；
②H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g）
初始 1mol/L  2mol/L     0        0
轉化0.4mol/L 0.4mol/l  0.4mol/l  0.4mol/l
平衡0.6mol/L 1.6mol/L  0.4mol/l  0.4mol/l 
根據K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.6×1.6}$=$\frac{1}{6}$，
故答案為：$\frac{1}{6}$；
③實驗3跟實驗2相比，溫度相同，濃度相同，但實驗3達到平衡所用時間少，反應速率更大，但平衡狀態沒有發生移動，應是使用了催化劑，又由于反應前后氣體體積不變，則增大了壓強，平衡也不移動，也可能為壓強的增大，
故答案為：使用了催化劑或增大了壓強．

點評 本題考查物質分離與提純方法、化學平衡、原電池原理等在，題目難度中等，做題時注意把握影響平衡移動的因素以及平衡常數的有關計算方法，明確原電池工作原理，試題培養了學生的分析能力及靈活應用能力．