Question

14．碳和碳的化合物在生产、生活中有重要作用，甲醇水蒸气重整制氢系统可能发生下列三个反应：
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
回答下列问题：
（1）△H₃=-41.8 kJ/mol；
（2）以CO、H₂为原料合成甲醇的反应为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在体积均为2L的三个恒容密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分别都充入1molCO和2molH₂，三个容器的反应温度分别为T₁、T₂、T₃且恒定不变．图1为三个容器中的反应均进行到5min时H₂的体积分数示意图，其中有一个容器反应一定达到平衡状态．CO的平衡转化率在不同压强下随温度的变化如图2所示．

①0～5min时间内容器II中用CH₃OH表示的反应速率为0.0875mol/（L•min）．
②三个容器中一定达到平衡状态的是容器II．
③平衡常数最大的是容器I．
④工业实际合成CH₃OH生产中，常用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的理由：相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高．
（3）甲醇使用不当会造成其对水质的污染，用电化学可消除这种污染，其原理是电解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH混合溶液，将Co²⁺氧化成Co³⁺，Co³⁺再将CH₃OH氧化成CO₂．
①电解时，阳极的电极反应式为Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺氧化CH₃OH的离子方程式为6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺．
（4）控制反应条件，反应①中的产物也可以用来合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化学方程式为3H₂（g）+3CO（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），对于气相反应，用某组分（B）的平衡分压（P_B）代替物质的量浓度（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_P），水煤气合成二甲醚的反应的平衡常数表达式为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）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式的焓变；
（2）①利用三段式求出反应生成的甲醇的物质的量浓度，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
②达到平衡状态时氢气的转化率最大，氢气的体积分数最小；
③该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大；
④根据温度、压强对反应速率的影响以及对设备的要求分析；
（3）①将Co²⁺氧化为Co³⁺，电极上发生失电子的氧化反应；
②Co³⁺将甲醇氧化为二氧化碳，本身被还原为Co，电解质环境是酸性的，根据电子守恒配平方程式即可；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反应的平衡常数K_P表达式为生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积．

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
依据盖斯定律计算②-①得到③：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.8 kJ/mol，
故答案为：-41.8 kJ/mol；
（2）①设反应生成的甲醇物质的量为x，
                   CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
开始（mol）：1           2                  0
转化（mol）：x           2x                 x
平衡（mol）：1-x        2-2x              x
到5min时，氢气的体积分数为0.2，则$\frac{2-2x}{（1-x）+（2-2x）+x}$=0.2，则x=$\frac{7}{8}$，
则v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{\frac{7}{8}mol}{2L}}{5min}$=0.0875mol/（L•min），
故答案为：0.0875mol/（L•min）；
②达到平衡状态时氢气的转化率最大，氢气的体积分数最小，II对应的氢气的体积分数最小，所以II可能达到了平衡状态；
故答案为：II；
故答案为：0.0875mol/（L•min）；②Ⅲ；（1分）
③由图2可知，升高温度CO的转化率减小，即向逆反应移动，所以该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大，K越大，已知I的温度最低，则其K最大；
故答案为：I；
④相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高，
故答案为：相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高；
（3）①其原理是电解CoSO₄、稀硫酸和CH₃OH的混合溶液，将Co²⁺氧化为Co³⁺，Co³⁺再将CH₃OH氧化成CO₂．
电解池中该电极上发生失电子的氧化反应，电极反应为：Co²⁺-e^-═Co³⁺，
故答案为：Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②Co³⁺将甲醇氧化为二氧化碳，本身被还原为Co，即6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6 H⁺；
（4）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反应的平衡常数K_P表达式为生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$；
故答案为：$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．

点评 本题考查了反应热的计算、化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、反应速率与平衡常数、电解原理的应用等，注意理解掌握化学平衡的计算方法，难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力．