Question

3．一氧化碳是一種用途廣泛的化工基礎原料．
（l）在高溫下CO可將SO₂還原為單質硫．已知：
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₁=-566.0kJ•mol^-1；
S（s）+O₂（g）═SO₂（g）△H₂=-296.0kJ•mol^-1；
請寫出CO還原SO₂的熱化學方程式2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H₃=-270 kJ•mol^-1．
（2）工業上用一氧化碳制取氫氣的反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），已知420℃時，該反應的化學平衡常數K=9．如果反應開始時，在2L的密閉容器中充入CO和H₂O的物質的量都是0.60mol，5min末達到平衡，則此時CO的轉化率為75%，H₂的平均生成速率為0.045mol•L^-1•min^-1．
（3）CO與H₂反應還可制備CH₃OH，CH₃OH可作為燃料使用，用CH₃OH和O₂組合形成的質子交換膜燃料電池的結構示意圖

電池總反應為：2CH₃OH+3O₂═2CO₂+4H₂O，則c電極是負極（填“正極”或“負極”），c電極的反應方程式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．若用該電池電解精煉銅（雜質含有Ag和Fe），粗銅應該接此電源的d極（填“c”或“d”），反應過程中析出精銅64g，則上述CH₃OH燃料電池，消耗的O₂在標況下的體積為11.2L．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律可以根據已知的反應的熱化學方程式求反應2CO+SO₂=S+2CO₂的焓變，進而寫熱化學方程式；
（2）根據所給反應的平衡常數，利用三段式法計算出平衡濃度減小求算，
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始濃度（mol/L）0.30    0.30      0        0
轉化濃度（mol/L） x       x        x        x
轉化濃度（mol/L）0.30-x  0.30-x    x        x
（3）原電池中電子從負極經外電路流向正極，負極反應氧化反應，結合電解質書寫電極反應式；
根據c為負極，d為正極，粗銅精煉時，粗銅作陽極，與電源的正極相連；
根據電子得失守恒以及精銅中銅離子得到電子來計算．

解答 解：（1）①2CO（g）+O₂（s）=2CO₂（g）△H₁=-566.0kJ•mol^-1
②S（s）+O₂（g）=SO₂ （g）△H₂=-296.0kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②得到2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）；△H=-270 kJ•mol^-1；
故答案為：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H₃=-270 kJ•mol^-1；
（2）設參加反應的CO的濃度為x         
                 CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始濃度（mol/L）0.30    0.30      0        0
轉化濃度（mol/L） x       x        x        x
轉化濃度（mol/L）0.30-x  0.30-x    x        x
K=9.0=$\frac{{x}^{2}}{（0.30-x）^{2}}$，x=0.225，
所以CO的轉化率α（CO）=$\frac{0.225mol/L}{0.30mol/L}$×100%=75%，
氫氣反應速率v（H₂）=$\frac{0.225mol/L}{5min}$=0.045mol/（L•min），
故答案為：75%；0.045mol/（L•min）；
（3）甲醇具有還原性，在負極上發生氧化反應生成CO₂，電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
因c為負極，d為正極，粗銅精煉時，粗銅作陽極，與電源的正極d相連，
精銅電極電極反應式：Cu²⁺+2e^-=Cu，Cu²⁺的物質的量為=$\frac{64g}{64g/mol}$=1mol，由電子得失守恒可知電子轉移2mol，
原電池中正極電極反應為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，則生成氧氣物質的量為0.5mol，體積=0.5mol×22.4L/mol=11.2L；
故答案為：負極；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；d；11.2．

點評 本題考查了化學平衡常數的求算、電解質原理、原電池原理、氧化還原反應，綜合性強，難度中等．