Question

18．通過煤的氣化和液化，使碳及其化合物得以廣泛應用．
Ⅰ．工業(yè)上先用煤轉化為CO，再利用CO和水蒸氣反應制H₂時，存在以下平衡：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）向1L恒容密閉容器中充入CO和H₂O（g），800℃時測得部分數據如下表．

t/min	0	1	2	3	4
n（H2O）/mol	0.600	0.520	0.450	0.350	0.350
n（CO）/mol	0.400	0.320	0.250	0.150	0.150

則該溫度下反應的平衡常數K=1.2．（精確到小數點后一位）
（2）相同條件下，向2L恒容密閉容器中充入1mol CO、1mol H₂O（g）、2mol CO₂、2mo1H₂，此時v（正）＜v（逆）（填“＞”“=”或“＜”）．
Ⅱ．已知CO（g）、H₂（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱分別為283kJ•mol^-1、286kJ•mol^-1、726kJ•mol^-1．
（3）利用CO、H₂合成液態(tài)甲醇的熱化學方程式為CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1．
（4）依據化學反應原理，分析增加壓強對制備甲醇反應的影響增加壓強使反應速率加快，同時平衡右移，CH₃OH產率增大．
Ⅲ．為擺脫對石油的過度依賴，科研人員將煤液化制備汽油，并設計了汽油燃料電池，電池工作原理如圖所示：一個電極通入氧氣，另一電極通入汽油蒸氣，電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2-．
（5）以辛烷（C₈H₁₈）代表汽油，寫出該電池工作時的負極反應方程式C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O．
（6）已知一個電子的電量是1.602×10^-19C，用該電池電解飽和食鹽水，當電路中通過1.929×10⁵C的電量時，生成NaOH80g．
Ⅳ．煤燃燒產生的CO₂是造成溫室效應的主要氣體之一．
（7）將CO₂轉化成有機物可有效地實現碳循環(huán)．如：
a.6CO₂+6H₂O$\stackrel{光照/葉綠素}{→}$C₆H₁₂O₆+6O₂       b.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$C₂H₅OH+3H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化劑}$CH₃COOH             d.2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₂=CH₂+4H₂O
以上反應中，最節(jié)能的是a，反應b中理論上原子利用率為46%．

Answer 1

分析 I．（1）化學平衡常數為平衡時，生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值；
（2）溫度不變，利用濃度商與化學平衡常數的大小，判斷平衡移動方向，得到答案；
Ⅱ．（3）根據CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式；
（4）分析壓強對化學反應速率和化學平衡的影響，得到答案；
（5）電解質能在高溫下能傳導O^2-，負極發(fā)生氧化反應，即C₈H₁₈）失去電子生成CO₂，根據質量守恒和電荷守恒寫出電極反應式；
（6）一個電子的電量是1.602×10^-19C，當電路中通過1.929×10⁵ C的電量時，電子的個數=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，電子的物質的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=
2mol，根據轉移電子和氫氧化鈉的關系式計算；
（7）最節(jié)能的措施應使用太陽能；原子利用率等于期望產物的總質量與生成物的總質量之比．

解答 解：I．（1）反應物和生成物濃度不變時，達到平衡狀態(tài)，3min后達到平衡狀態(tài)，容器體積為1L，則c（H₂O）=0.350mol/L，c（CO）=0.150mol/L，c（H₂）=c（CO₂）=
0.600mol/L-0.350mol/L=0.250mol/L，化學平衡常數表達式為：K=$\frac{[C{O}_{2}][{H}_{2}]}{[CO][{H}_{2}O]}$=$\frac{0.250×0.250}{0.350×0.150}$=1.2，
故答案為：1.2；
（2）向2L恒容密閉容器中充入1mol CO、1mol H₂O（g）、2mol CO₂、2mol H₂，各物質濃度分別為：0.5mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1mol/L，濃度商=$\frac{1×1}{0.5×0.5}$=4＞1.2，平衡向逆反應方向移動，所以υ（正）＜υ（逆），
故答案為：＜；
Ⅱ．（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$②得反應CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），該反應的反應熱△H═-283.0kJ•mol^-1+（-286kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-129kJ•mol^-1，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1；
（4）增加壓強，縮小體積，反應物濃度增大，反應速率加快，正反應速率加快大于逆反應速率，化學平衡向正反應方向移動，
故答案為：增加壓強使反應速率加快，同時平衡右移，CH₃OH產率增大；
（5）電解質能在高溫下能傳導O^2-，負極發(fā)生氧化反應，即1molC₈H₁₈失去電子生成CO₂，共失去8×[+4-（-$\frac{18}{8}$）]=50mole^-，18molH原子轉化為9molH₂O，根據質量守恒和電荷守恒寫出電極反應為：C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O，
故答案為：C₈H₁₈-50e^-+25O^2-=8CO₂+9H₂O；　　
（6）一個電子的電量是1.602×10^-19C，當電路中通過1.929×10⁵ C的電量時，電子的個數=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，電子的物質的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=2mol，根據轉移電子和氫氧化鈉的關系式得NaOH的質量=$\frac{2mol}{2}$×2×40g/mol=80g，
故答案為：80；
（7）最節(jié)能的措施應使用太陽能，光合作用是最節(jié)能的，選a；原子利用率等于期望產物的總質量與生成物的總質量之比，反應b中理論上原子利用率為：$\frac{46}{88+12}$×100%=46%，
故答案為：a、46%．

點評 本題考查影響化學平衡的因素、化學平衡的建立等，難度較大，構建平衡建立的途徑進行比較是關鍵；探討了能源的循環(huán)利用和溫室效應的解決，著重考查了物質催化反應的過程，結合考查了化學反應速率和對圖表的理解解析能力，綜合能力要求較高．另外讀圖時要注意觀察橫縱坐標的含義和單位．