Question

12．運用化學反應原理知識研究如何利用CO、SC₂等有重要意義．
（1）用CO可以合成甲醇，已知：
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-764.5kJ•mol^-1；
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1；
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
則CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.1kJ•mol^-1．
（2）下列措施中能夠增大上述合成甲醇反應的反應速率的是ac（填寫序號）．
a．使用催化劑；    b．降低反應溫度；
c．增大體系壓強；  d．不斷將CH₃OH從反應混合物中分離出來
（3）在一定壓強下，容積為VL的容器中充入a mol CO與2a mol H₂，在催化劑作用下反應生成甲醛，平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖1所示．

①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）；
②100℃時，該反應的化學平衡常數K=$（\frac{V}{a}）^{2}$；
③100℃，達到平衡后，保持壓強P1不變的情況下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，則平衡向左（填“向左”“不”或“想右”）移動
（4）利用原電池原理，用SO₂和H₂O來制備硫酸，該電池用多孔材料作電極，它能吸附氣體，同時也能使氣體與電解質溶液充分接觸，請寫出該電池的負極的電極反應式SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
（5）CaSO₃溶液與CaC1₂溶液混合會生成難溶的CaSO₃（Ksp=3.1×10^-7），現將等體積的CaCl₂溶液與Na₂SO₃溶液混合，若混合前Na₂SO₃溶液的濃度為2×10^-3mol/L，則生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小濃度為6.2×10^-4mol/L．用CaSO₃溶液充分吸收SO₂得NaHSO₂溶液，然后電解該溶液，電解原理示意圖如圖2所示．請寫出該電解池發生反應的化學方程式2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

Answer 1

分析 （1）依據蓋斯定律和熱化學方程式計算得到；
（2）考慮影響反應速率的因素；
（3）①由圖1可知，溫度相同時，在壓強為P₂時平衡時CO的轉化率高，由反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知壓強越大，越有利于平衡向正反應進行；
②由圖1可知，在P₁壓強下，100℃時，CO的轉化率為0.5，據此計算CO的濃度變化量，根據三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，計算合成甲醇的化學平衡常數；
③在其它條件不變的情況下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，等效減小氫氣的濃度，平衡向逆反應移動；
（4）反應原理為二氧化硫、氧氣和水反應生成硫酸，根據化合價變化判斷負極物質，寫出負極反應式；
②根據化合價變化判斷陽極反應物質，寫出陽極反應式；
（5）Na₂SO₃溶液的濃度為2×10^-3mol/L，等體積混合后溶液中c（SO₃^2-）=1×10^-3mol/L，根據Ksp=c（SO₃^2-）•c（Ca²⁺）計算沉淀時混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍；陽極是亞硫酸氫根氧化成硫酸根，而陰極是水中的氫離子放電生成氫氣，所以總的電解反應方程式為：2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

解答 解：（1）用CO可以合成甲醇．已知：
①CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-764.5kJ•mol^-1；
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1；
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
由蓋斯定律可知，②+③×2-①得到CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
△H=-283.0kJ/mol-285.8kJ/mol×2+764.5kJ/mol=-90.1kJ/mol，故答案為：-90.1；
（2）溫度越高、壓強越大，使用催化劑都可使反應速率增大，降低溫度反應速率減慢，從體系中分離出甲醇，相當于減少濃度，反應速率減慢，
故答案為：ac；
（3））①由圖1可知，溫度相同時，在壓強為P₂時平衡時CO的轉化率高，由反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知壓強越大，
越有利于平衡向正反應進行，故壓強P₁＜P₂，
故答案為：小于；
②由于平衡常數與壓強沒有關系，所以根據圖象可知，在100℃P₁時，CO的轉化率是0.5，則
                 CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始濃度（mol/L） $\frac{a}{V}$       $\frac{2a}{V}$           0
轉化濃度（mol/L）$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$           $\frac{a}{2V}$ 
平衡濃度（mol/L）$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$           $\frac{a}{2V}$
所以平衡常數K=$\frac{\frac{a}{2V}}{（\frac{a}{V}）^{2}×\frac{a}{2V}}$=$（\frac{V}{a}）^{2}$，
故答案為：$（\frac{V}{a}）^{2}$；
③在其它條件不變的情況下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，等效減小氫氣的濃度，平衡向逆反應移動，
故答案為：向左；
（4））該原電池中，負極上失電子被氧化，二氧化硫到硫酸，硫的化合價升高，所以負極上投放的氣體是二氧化硫，二氧化硫失電子和水反應生成硫酸根離子和氫離子，所以負極上的電極反應式為：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺，
故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
（5）Na₂SO₃溶液的濃度為2×10^-3mol/L，等體積混合后溶液中c（SO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×2×10^-3mol/L=1×10^-3mol/L，根據Ksp=c（SO₃^2-）•c（Ca²⁺）=3.1×10^-7可知，c（Ca²⁺）=$\frac{3.1×1{0}^{-7}}{1×1{0}^{-3}}$mol/L=3.1×10^-4mol/L，原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為6.2×10^-4mol/L，陽極是亞硫酸氫根氧化成硫酸根，而陰極是水中的氫離子放電生成氫氣，所以總的電解反應方程式為：2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑，
故答案為：6.2×10^-4mol/L； 2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

點評 本題考查影響平衡的因素、化學平衡常數、化學平衡圖象、反應熱的計算、電極反應式的書寫等，難度中等，從化合價角度判斷電極發生反應的物質時關鍵．