Question

14．碳和碳的化合物在生產、生活中有重要作用，甲醇水蒸氣重整制氫系統(tǒng)可能發(fā)生下列三個反應：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₁=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
回答下列問題：
（1）△H₃=-41.8 kJ/mol；
（2）以CO、H₂為原料合成甲醇的反應為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在體積均為2L的三個恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH₂，三個容器的反應溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變．圖1為三個容器中的反應均進行到5min時H₂的體積分數示意圖，其中有一個容器反應一定達到平衡狀態(tài)．CO的平衡轉化率在不同壓強下隨溫度的變化如圖2所示．

①0～5min時間內容器II中用CH₃OH表示的反應速率為0.0875mol/（L•min）．
②三個容器中一定達到平衡狀態(tài)的是容器II．
③平衡常數最大的是容器I．
④工業(yè)實際合成CH₃OH生產中，常用圖中M點而不是N點對應的反應條件，運用化學反應速率和平衡知識，同時考慮生產實際，說明選擇該反應條件的理由：相對于N點而言，采用M點，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應速率較快，氫氣的平衡轉化率也較高，壓強為常壓對設備要求不高．
（3）甲醇使用不當會造成其對水質的污染，用電化學可消除這種污染，其原理是電解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH混合溶液，將Co²⁺氧化成Co³⁺，Co³⁺再將CH₃OH氧化成CO₂．
①電解時，陽極的電極反應式為Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺氧化CH₃OH的離子方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺．
（4）控制反應條件，反應①中的產物也可以用來合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化學方程式為3H₂（g）+3CO（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），對于氣相反應，用某組分（B）的平衡分壓（P_B）代替物質的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數（記作K_P），水煤氣合成二甲醚的反應的平衡常數表達式為K_P=$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式的焓變；
（2）①利用三段式求出反應生成的甲醇的物質的量濃度，再根據v=$\frac{△c}{△t}$計算；
②達到平衡狀態(tài)時氫氣的轉化率最大，氫氣的體積分數最小；
③該反應為放熱反應，溫度越低，反應向正方向進行的程度越大；
④根據溫度、壓強對反應速率的影響以及對設備的要求分析；
（3）①將Co²⁺氧化為Co³⁺，電極上發(fā)生失電子的氧化反應；
②Co³⁺將甲醇氧化為二氧化碳，本身被還原為Co，電解質環(huán)境是酸性的，根據電子守恒配平方程式即可；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應的平衡常數K_P表達式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應物平衡分壓冪次方乘積．

解答 解：（1）①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
依據蓋斯定律計算②-①得到③：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.8 kJ/mol，
故答案為：-41.8 kJ/mol；
（2）①設反應生成的甲醇物質的量為x，
                   CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
開始（mol）：1           2                  0
轉化（mol）：x           2x                 x
平衡（mol）：1-x        2-2x              x
到5min時，氫氣的體積分數為0.2，則$\frac{2-2x}{（1-x）+（2-2x）+x}$=0.2，則x=$\frac{7}{8}$，
則v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{\frac{7}{8}mol}{2L}}{5min}$=0.0875mol/（L•min），
故答案為：0.0875mol/（L•min）；
②達到平衡狀態(tài)時氫氣的轉化率最大，氫氣的體積分數最小，II對應的氫氣的體積分數最小，所以II可能達到了平衡狀態(tài)；
故答案為：II；
故答案為：0.0875mol/（L•min）；②Ⅲ；（1分）
③由圖2可知，升高溫度CO的轉化率減小，即向逆反應移動，所以該反應為放熱反應，溫度越低，反應向正方向進行的程度越大，K越大，已知I的溫度最低，則其K最大；
故答案為：I；
④相對于N點而言，采用M點，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應速率較快，氫氣的平衡轉化率也較高，壓強為常壓對設備要求不高，
故答案為：相對于N點而言，采用M點，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應速率較快，氫氣的平衡轉化率也較高，壓強為常壓對設備要求不高；
（3）①其原理是電解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH的混合溶液，將Co²⁺氧化為Co³⁺，Co³⁺再將CH₃OH氧化成CO₂．
電解池中該電極上發(fā)生失電子的氧化反應，電極反應為：Co²⁺-e^-═Co³⁺，
故答案為：Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺將甲醇氧化為二氧化碳，本身被還原為Co，即6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應的平衡常數K_P表達式為生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應物平衡分壓冪次方乘積$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$；
故答案為：$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．

點評 本題考查了反應熱的計算、化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、反應速率與平衡常數、電解原理的應用等，注意理解掌握化學平衡的計算方法，難度中等，側重于考查學生的分析能力和計算能力．