Question

8．已知1mol CO氣體完全燃燒生成CO₂氣體，放出283kJ熱量，1mol氫氣完全燃燒生成液態水放出286kJ熱量，1mol CH₄氣體完全燃燒生成CO₂氣體和液態水放出890kJ熱量
（1）寫出H₂燃燒熱的熱化學方程式H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1．
（2）若1mol CH₄氣體完全燃燒生成CO₂氣體和水蒸汽，放出熱量＜890kJ（填“=”、“＞””＜”）
（3）若將a mol CH₄，CO，H₂混合氣體完全燃燒，生成CO₂氣體和水蒸汽，則放出熱量（Q）的取值范圍是283akJ＜Q＜890akJ．
（4）若將a mol CH₄，CO，H₂混合氣體完全燃燒，生成CO₂氣體和水蒸汽，且CO₂和H₂O物質的量相等，則放出熱量（Q）的取值范圍是284.5a kJ＜Q＜586.5a kJ．
（5）用Cl₂生產某些含氯有機物時會產生副產物HC1．利用反應A，可實現氯的循環利用．反應A：4HCl+O₂$\frac{\underline{\;CuO/CuCl_{2}\;}}{400℃}$2Cl₂+2H₂O
已知：Ⅰ反應A中，4mol HCl被氧化，放出115.6kJ的熱量．
Ⅱ
①H₂O的電子式是．
②反應A的熱化學方程式是4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g）△H=-115.6 KJ/mol．
③斷開1mol H-O 鍵與斷開 1mol H-Cl 鍵所需能量相差約為32kJ，H₂O中H-O 鍵比HCl中H-Cl鍵（填“強”或“弱”）強．
④對于反應A，圖1是4種投料比[n（HCl）：n（O₂），分別為1：1、2：1、4：1、6：1下，反應溫度對HCl平衡轉化率影響的曲線．

ⅰ曲線b對應的投料比是4：1．
ⅱ投料比為2：1、溫度為400℃時，平衡混合氣中Cl₂的物質的量分數是30.8%．
（6）物質（t-BuNO）₂在正庚烷溶劑中發生如下反應：（t-BuNO）₂?2（t-BuNO）．
實驗測得該反應的△H=+50.5kJ•mol^-1，活化能E_a=90.4kJ•mol^-1．下列能量關系圖（圖2）合理的是D．該反應的△S＞0（填“＞”、“＜”或“=”）．在較高填“較高”或“較低”）溫度下有利于該反應自發進行．

Answer 1

分析 （1）依據1mol氫氣完全燃燒生成液態水放出286KJ熱量寫出熱化學方程式，標注物質聚集狀態和對應焓變；
（2）根據不同聚集狀態的水的能量不同，進行判斷1molCH₄氣體完全燃燒生成CO₂氣體和水蒸氣放出的熱量；
（3）利用極限法計算；
（4）CO₂氣體和水的物質的量相等，利用討論法計算；
（5）①共價化合物的電子式由對應原子的電子式組成，并要表示出兩原子之間的共用電子對情況；
②反應A中，4mol HCl被氧化，放出115.6kJ的熱量，依據熱化學方程式書寫方法，標注物質聚集狀態和對應焓變寫出；
③反應熱△H=反應物總鍵能-生成物的總鍵能，據此計算H-O鍵與H-Cl鍵的鍵能差，進而計算斷開1mol H-O鍵與斷開1mol H-Cl鍵所需能量差；
④ⅰ在其他條件不變時，O₂的量越大，HCl的轉化率越大；
ⅱ依據化學平衡三段式列式計算得到；
（6）由實驗測得該反應的△H=+50.5 kJ•mol^-1，可知該反應是吸熱反應，則反應物的總能量低于生成物的總能量，又依據活化能E_a=90.4 kJ•mol^-1，E_a-△H＜50.5kJ•mol^-1；
由于該反應是一個分解反應，所以是一個混亂度增加（熵增）的反應，△S＞0；而該反應又是一個吸熱反應，△H＞0，結合△G=△H-T△S判斷．

解答 解：（1）1molH₂在O₂中完全燃燒，生成1mol液態水，放出286kJ熱量，表示H₂燃燒熱的化學方程式為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1，
故答案為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1；
（2）水由氣態變為液態時要放出熱量，由于1mol CH₄氣體完全燃燒生成CO₂氣體和液態水放出890KJ熱量，則1mol CH₄氣體完全燃燒生成CO₂氣體和水蒸氣，放出的熱量小于890kJ，
故答案為：＜；
（3）amol全部是CO，放出熱量為283a kJ；
同理，amol全部是CH₄，放出熱量為890a kJ；amol全部是H₂，放出熱量為286a kJ；
故將將amol CH₄、CO和H₂的混合氣體完全燃燒生成氣體和液態水，放出熱量Q的取值范圍是：283a kJ＜Q＜890akJ．
故答案為：283akJ＜Q＜890akJ；
（4）生成的CO₂和液態H₂O的物質的量相等，還用假設分析，有以下幾種可能
①若無CO，生成的CO₂和液態H₂O的物質的量不相等，故不合題意
②若無H₂，可能是CO和CH₄各為$\frac{a}{2}$mol，
放出的熱量（Q）=$\frac{a}{2}$×（283+890）=586.5a kJ，
③若無CH₄，可能是CO和H₂各為$\frac{a}{2}$mol，
放出的熱量（Q）=$\frac{a}{2}$×（283+286）=284.5a kJ，
若無兩種氣體均不可能，
所以放出的熱量（Q）的取值范圍為：284.5a kJ＜Q＜586.5a kJ
故答案為：284.5a kJ＜Q＜586.5a kJ；
（5）①H₂O是共價化合物，是由原子和氫原子形成共價鍵，電子式為，故答案為：；
②依據反應A中，4mol HCl被氧化，放出115.6kJ的熱量，反應的熱化學方程式為：4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g）△H=-115.6 KJ/mol，
故答案為：4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g）△H=-115.6 KJ/mol；
③E（H-O）、E（HCl）分別表示H-O鍵能、H-Cl鍵能，反應A中，4mol HCl被氧化，放出115.6kJ的熱量，反應熱△H=反應物總鍵能-生成物的總鍵能，故：4×E（H-Cl）+498kJ/mol-[2×243kJ/mol+4×E（H-O）]=-115.6kJ/mol，整理得，4E（H-Cl）-4E（H-O）=-127.6kJ/mol，即E（H-O）-E（HCl）=31.9kJ/mol，
故斷開1mol H-O鍵與斷開1mol H-Cl鍵所需能量相差約為31.9kJ/mol×1mol=31.9kJ≈32kJ，所以H₂O中H-O 鍵比HCl中H-Cl鍵強；
故答案為：32；強；
④ⅰ在其他條件不變時，O₂的量越大，HCl的轉化率越大，由此可確定a為6：1，b為4：1，c為2：1，d為1：1，故答案為：4：1；
ⅱ由圖可讀出投料比為2：1、溫度為400℃時，HCl的轉化率為80%，設投入的HCl為2 mol，O₂為1 mol，由此可建立三段式：
             4HCl+O₂ =2Cl₂+2H₂O
n（起始）/mol  2    1    0    0
n（轉化）/mol 1.6  0.4   0.8  0.8
n（平恒）/mol 0.4  0.6   0.8  0.8 
所以平衡混合氣中Cl₂的物質的量分數=$\frac{0.8mol}{0.4mol+0.6mol+0.8mol+0.8mol}$×100%=30.8%；
故答案為：30.8%；
（6）由實驗測得該反應的△H=+50.5 kJ•mol^-1，可知該反應是吸熱反應，則反應物的總能量低于生成物的總能量．可排除能量關系圖B和C，又依據活化能E_a=90.4 kJ•mol^-1，E_a-△H＜50.5kJ•mol^-1，能量關系圖A中E_a-△H＞50.5 kJ•mol^-1，Ea與△H的比例不對，而能量關系圖D是合理的；由于該反應是一個分解反應，所以是一個混亂度增加（熵增）的反應，△S＞0；而該反應又是一個吸熱反應，即△H＞0，由△G=△H-T△S可知，所以該反應在較高溫度下有利于自發進行；
故答案為：D；＞；較高．

點評 本題涉及熱化學方程式、熱化學方程式書寫，化學鍵鍵能和焓變關系計算，圖象分析判斷、化學反應轉化率計算，題目難度中等．