Question

13．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）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
请回答下列问题：
（1）△H₃=-41.8kJ/mol．
（2）温度升高对反应②的影响是反应速率加快，有利于向正反应方向移动．
（3）甲醇使用不当会导致污染，可用电解法消除这种污染．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．
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⁺+6H⁺．
（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），在相同条件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡转化率随氢碳比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的变化如图所示：
①合成二甲醚的最佳氢碳比为1：1．
②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），水煤气合成二甲醚反应的平衡常数K_P表达式为$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$．
（5）在标态（反应物和产物都处于100kPa）和T（K）条件下由稳定单质生成1mol化合物的焓变称为该物质在T（K）时的标准焓，用符号△H⁰表示．已知石墨和一氧化碳的燃烧热△H分别为-393.5kJ/mol和-283.0kJ/mol，则CO（g）的△H⁰为-110.5kJ/mol．

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）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反应是气体体积增大的吸热反应，升温增大反应速率平衡正向进行；
（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）①依据化学方程式定量关系分析按照化学方程式中定量关系是恰好反应的最佳比；
②3H₂（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；
（5）依据燃烧热的定义可写出相应的热化学方程式，再利用盖斯定律计算得到所需热化学方程式．

解答 解：（1）CH₃OH（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③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.8 kJ/mol，
故答案为：-41.8 kJ/mol；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反应是气体体积增大的吸热反应，升高温度反应速率加快，升高温度有利于反应②向正反应方向移动，
故答案为：反应速率加快，有利于向正反应方向移动；
（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⁺；
（3）①Co²⁺-e^-═Co³⁺；
②6 Co³⁺+CH₃OH+H₂O═CO₂↑+6 Co²⁺+6 H⁺（2分）
（4）①3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），图象分析可知在相同条件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡转化率随氢碳比1：1，
故答案为：1：1；
②3H₂（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：$\frac{p（C{H}_{3}OC{H}_{3}）p（C{O}_{2}）}{{p}^{3}（{H}_{2}）{p}^{3}（CO）}$；
（5）石墨和一氧化碳的燃烧热△H分别为-393.5kJ/mol和-283.0kJ/mol，的燃烧热的热化学方程式为
①C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算①-②，得到C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）△H⁰=-110.5 kJ/mol，
CO（g）的△H⁰为-110.5 kJ/mol，
故答案为：-110.5 kJ/mol．

点评 本题考查了热化学方程式书写、电解池原理分析和电极反应书写、主要是反应生成焓的计算，掌握基础是解题关键，题目难度中等．