Question

18．碳和碳的化合物在生产、生活中的应用非常广泛，在提倡健康生活已成潮流的今天，“低碳生活”不再只是一种理想，更是一种值得期待的新的生活方式．
（1）某经济开发区将钛冶炼厂与氯碱厂、甲醇厂组成了一个产业链（如图1所示），大大地提高了资源利用率，减少了环境污染．

①由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
已知该反应在300℃时的化学平衡常数为0.27，该温度下将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此时反应将向逆反应方向进行（填“向正反应方向进行”、“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”）．
②写出钛铁矿经氯化得到四氯化钛的化学方程式：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO．
③若不考虑生产过程中物质的任何损失，该产业链中每合成38.4t甲醇，至少需额外补充H₂2.0t．
（2）将两个石墨电极插入H₂SO₄溶液中，向两极分别通入C₃H₈和O₂，构成丙烷燃料电池．
①负极电极反应式是：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②某同学利用丙烷燃料电池设计了一种电解法制取Fe（OH）₂的实验装置（如图2所示），通电后，溶液中产生大量的白色沉淀，且较长时间不变色．下列说法中正确的是ABD（填序号）
A．电源中的a一定为正极，b一定为负极
B．可以用NaCl溶液作为电解液
C．A、B两端都必须用铁作电极
D．阴极发生的反应是：2H⁺+2e^-═H₂↑
（3）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	达到平衡所需时间/min
		H2O	CO	CO2
1	650	2	4	1.6	5
2	900	1	2	0.4	3
3	900	1	2	0.4	1

①该反应的正反应为放（填“吸”或“放”）热反应；
②实验2中，平衡常数K=$\frac{1}{6}$；
③实验3跟实验2相比，改变的条件可能是使用了催化剂或增大了压强（答一种情况即可）．

Answer 1

分析 （1）①根据浓度熵数值和平衡常数的大小关系来判断；
②从图示可知氯化时的反应物、生成物，再根据得失电子和原子守恒即可得出该反应的方程式；
③根据CO和H₂合成甲醇的方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）以及2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得到相应关系式来计算；
（2）①根据C₃H₈和O₂构成丙烷燃料电池，负极丙烷失去电子生成二氧化碳气体；
②A、B端析出氢气可驱赶原溶液中溶解的少量氧气；
B、电解液选用NaCl溶液不影响实验，因为阳极是铁失电子生成亚铁离子，溶液中的阴离子不放电；
C、阳极应该用铁电极，阴极用惰性电极亦可；
D、B电极反应是阴极氢离子放电生成氢气；
（3）①比较第二组的第一组反应物的转化率大小以及温度对化学平衡和转化率的影响来判断；
②首先利用三段式计算出平衡时各物质的浓度，根据K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$计算；
③实验3跟实验2相比，温度相同，浓度相同，但实验3达到平衡所用时间少，反应速率更大，但平衡状态没有发生移动．

解答 解：（1）①将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此状态的浓度熵Qc=$\frac{1}{1×1．{5}^{2}}$=0.44＞0.27，即Qc＞K，所以此时反应将向逆反应方向进行，
故答案为：向逆反应方向进行；
②从图示可知氯化时的反应物为FeTiO₃、C、Cl₂，生成物为FeCl₃、TiCl₄、CO，再根据得失电子和原子守恒即可得出该反应的方程式为：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO，
故答案为：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO；
③由方程式2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得如下关系式：
6CH₃OH→6CO→7Cl₂→7H₂，而6CH₃OH→12H₂，故每生产6molCH₃OH（192g）需额外补充5molH₂（10g），则生产38.4t甲醇，至少需额外补充氢气的质量为：$\frac{38.4×1{0}^{3}g}{192g}$×5×2g/mol=2.0t，
故答案为：2.0t；
（2）①C₃H₈和O₂构成丙烷燃料，电解质溶液为硫酸，则负极丙烷失去电子生成二氧化碳气体，负极的电极反应式为：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺，
故答案为：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②A．因为生成的氢气将装置中原有氧气溢出，所以氢气从B端阴极析出，A电极则是铁做阳极失去电子生成亚铁离子，电源中的a与A相连，则a为正极，b与B相连，则b为负极，故A正确；
B．电解池中阳极是铁失去电子发生氧化反应生成亚铁离子，阴极是溶液中的氢离子得电子发生还原反应，所以电解质溶液中的阴离子不会在阳极失电子，所以选用NaCl溶液不影响实验，故B正确；
C．阳极应该用铁电极，阴极可以是铁也可以是其他惰性电极，故C错误；
D．阴极氢离子放电，其电极反应为2H⁺+2e^-=H₂↑，故D正确；
故答案为：ABD；
（3）①实验1中CO的转化率为：$\frac{1.6mol}{4mol}$×100%=40%，实验2中CO的转化率为：$\frac{0.4mol}{2mol}$×100%=20%，则实验1的转化率大于实验2，则说明温度升高平衡向逆反应方向移动，正反应放热，
故答案为：放；
②H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g）
初始 1mol/L  2mol/L     0        0
转化0.4mol/L 0.4mol/l  0.4mol/l  0.4mol/l
平衡0.6mol/L 1.6mol/L  0.4mol/l  0.4mol/l 
根据K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.6×1.6}$=$\frac{1}{6}$，
故答案为：$\frac{1}{6}$；
③实验3跟实验2相比，温度相同，浓度相同，但实验3达到平衡所用时间少，反应速率更大，但平衡状态没有发生移动，应是使用了催化剂，又由于反应前后气体体积不变，则增大了压强，平衡也不移动，也可能为压强的增大，
故答案为：使用了催化剂或增大了压强．

点评 本题考查物质分离与提纯方法、化学平衡、原电池原理等在，题目难度中等，做题时注意把握影响平衡移动的因素以及平衡常数的有关计算方法，明确原电池工作原理，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．