Question

17．碳及其化合物在工農業生產生活中有著重要作用．請按要求回答下列問題：

（1）已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1
將水蒸氣噴到灼熱的炭上可實現炭的氣化（制得CO、H₂），該反應的熱化學方程式為C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=+132kJ•mol^-1．
（2）將一定量CO（g）和H₂O（g）分別通入容積為2L的恒容密閉容器中，一定條件下發生反應為CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三組實驗數

實驗編號	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	達到平衡所需時間/min
		H2O	CO	CO2
1	500	4	8	3.2	4
2	750	2	4	0.8	3
3	750	2	4	0.8	1

①該反應的正反應為放熱（填“吸熱”或“放熱”）反應．
②實驗1中，0～4min時段內，以v（H₂）表示的反應速率為0.4mol/（L•min）．若在此溫度下H₂O（g）、CO（g）起始量分別為2mol、4mol，則此反應的平衡常數為$\frac{8}{3}$．
③實驗2達到平衡時CO的轉化率為20%．
④實驗3與實驗2相比，改變的條件是加催化劑；
請在如圖1坐標中畫出“實驗2”與“實驗3”中c（CO₂）隨時間變化的曲線，并作標注實驗編號．
（3）CO與H₂一定條件下反應生成甲醇（CH₃OH），甲醇是一種燃料，可利用甲醇設計一個燃料電池，用KOH溶液作電解質溶液，多孔石墨做電極，該電池的負極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
（4）一定條件下，如圖2示裝置可實現有機物的電化學儲氫（忽略其它有機物），則陰極的電極反應式為．

Answer 1

分析 （1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1；
根據蓋斯定律，①-$\frac{1}{2}$（②+③）得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H；
（2）①假定平衡不發生移動，實驗2條件下平衡時CO₂的物質的量應為$\frac{1}{2}×3.2$mol=1.6mol，實際為0.8mol，說明溫度升高，平衡逆向移動；
②v（CO₂）=$\frac{3.2mol}{2L×4min}$=0.4mol/（L•min），根據化學反應速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）表示的反應速率；化學平衡常數只與溫度有關，與反應物的起始濃度無關，利用表中實驗1的數據，結合三段法計算平衡時各組分的平衡濃度，帶入化學平衡常數表達式計算；
③實驗2中平衡時生成0.8molCO₂，同時會消耗0.8mol的CO，因此實驗2達到平衡時CO的轉化率為$\frac{0.8mol}{4mol}$×100%；
④實驗3相比于實驗2，化學平衡沒有影響，只是增大了化學反應速率，因此改變的條件為加入了催化劑，實驗3達到平衡所用時間為1min，而實驗2所用時間為3min，CO₂的平衡濃度為0.4mol/L，結合表格數據畫出c-t圖；
（3）甲醇的電極為負極，甲醇失電子，甲醇燃燒生成 CO₂，CO₂在氫氧化鉀溶液中以KCO₃形式存在，因此負極電極式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（4）該實驗的目的是儲氫，所以陰極上發生的反應為生產目標產物，陰極上苯得電子和氫離子生成環己烷．

解答 解：（1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1；
根據蓋斯定律，①-$\frac{1}{2}$（②+③）得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=-393kJ•mol^-1-$\frac{1}{2}$×（-566kJ•mol^-1-484kJ•mol^-1）=+132kJ•mol^-1，
故答案為：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=+132kJ•mol^-1；
（2）①假定平衡不發生移動，實驗2條件下平衡時CO₂的物質的量應為$\frac{1}{2}×3.2$mol=1.6mol，實際為0.8mol，說明溫度升高，平衡逆向移動，則反應為放熱反應，
故答案為：放熱；
②v（CO₂）=$\frac{3.2mol}{2L×4min}$=0.4mol/（L•min），$\frac{v（{H}_{2}）}{v（C{O}_{2}）}$=$\frac{1}{1}$，因此v（H₂）=0.4mol/（L•min），
化學平衡常數只與溫度有關，與反應物的起始濃度無關，則
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
開始（mol）：4        8       0        0
變化（mol）：3.2     3.2     3.2      3.2
平衡（mol）：0.8     4.8     3.2      3.2
平衡（mol/L）：0.4     2.4     1.6      1.6
因此500℃時該反應的化學平衡常數K=$\frac{1.6×1.6}{0.4×2.4}$=$\frac{8}{3}$，
故答案為：0.4mol/（L•min）；$\frac{8}{3}$；
③實驗2中平衡時生成0.8molCO₂，同時會消耗0.8mol的CO，因此實驗2達到平衡時CO的轉化率為$\frac{0.8mol}{4mol}$×100%=20%，
故答案為：20%；
④實驗3相比于實驗2，化學平衡沒有影響，只是增大了化學反應速率，因此改變的條件為加入了催化劑，實驗3達到平衡所用時間為1min，而實驗2所用時間為3min，CO₂的平衡濃度為0.4mol/L，結合表格數據畫出c-t圖如下：，

故答案為：加催化劑；；
（3）甲醇的電極為負極，甲醇失電子，甲醇燃燒生成 CO₂，CO₂在氫氧化鉀溶液中以KCO₃形式存在，因此負極電極式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（4）該實驗的目的是儲氫，所以陰極上發生的反應為生產目標產物，電解池陰極與電源負極相連，得出電解過程中產生的氣體為O₂，陰極上苯得電子和氫離子生成環己烷，電極反應式為，
故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及熱化學方程式的書寫、化學反應速率和化學平衡、燃料電池和電解池原理，綜合性強，為高考高頻考點，具有很強的代表性，側重于化學反應原理和計算能力的考查，難度較大．