Question

12．燃煤能排放大量的CO、CO₂、SO₂，PM2.5（可入肺顆粒物）．污染跟冬季燃煤密切相關，SO₂．CO、CO₂也是對環(huán)境影響較大的氣體，對它們的合理控制、利用是優(yōu)化我們生存環(huán)境的有效途徑．
（1）工業(yè)上可用CO₂和H₂反應合成甲醇．已知25°C、101kPa下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O （g）△H₁=-242kJ/mol
CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O△H₂=-676kJ/mol
寫出CO₂與H₂反應生成CH₃OH（g）與H₂O （g）的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．
（2）工業(yè)上還可以通過下列反應制備甲醇：CO （g）+2H₂ （g）?CH₃OH （g）．在一容積可變的密閉容器中充入l0molCO和20molH₂，CO的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如圖1所示．

①下列說法不能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是ac（填字母）．
a．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
b．H₂的體積分數不再改變
c．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等
d．體系中氣體的平均摩爾質量不再改變
②比較A、B兩點壓強大小P_A＜P_B（填“＞”“＜”或“=’’）．
③若達到化學平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L．如果反應開始時仍充入10mol CO和20molH₂，則在平衡狀態(tài)B時容器的體積V（B）=4L．
（3）SO₂在一定條件下可與氧氣構成原電池．圖2是利用該電池在鐵表面鍍銅的裝置示意圖：
①該電池的負極反應：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②當甲中消耗2.24LO₂（標準狀況）時，乙中a極增重12.8g．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律來計算化學反應的焓變，并書寫熱化學方程式；
（2）①可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說明到達平衡；
②溫度一定時，正反應為氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，CO的轉化率增大；
③A、B溫度相同，平衡常數相同，若達到化學平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L，CO轉化率為50%，則轉化的CO為10mol×50%=5mol，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10      20        0
變化量（mol）：5       10       5
平衡量（mol）：5      10       5
平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
計算B狀態(tài)時各組分物質的量，再結合平衡常數計算體積；
（3）①燃料SO₂為負極失電子發(fā)生氧化反應據此書寫電極反應方程式；
②根據得失電子守恒進行計算．

解答 解：（1）H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O （g）△H₁=-242kJ/mol①；
CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O△H₂=-676kJ/mol②，①×3-②得，CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol，故CO₂與H₂反應生成CH₃OH（g）與H₂O （g）的熱化學方程式為CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
（2）①a．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，均表示正反應速率，反應始終按該比例關系進行，不能說明到達平衡，當H₂的消耗速率等于CH₃OH的消耗速率的2倍時，反應到達平衡，故a錯誤；
b．H₂的體積分數不再改變是化學平衡的特征，達到了平衡，故b正確；
c．氫氣、CO的轉化率與它們起始物質的量有關，平衡時不一定相等，若起始物質的量之比等于化學計算量之比，轉化率始終相等，故c錯誤；
d．混合氣體總質量不變，隨反應進行，混合氣體總物質的量減小，平均摩爾質量增大，混合氣體氣體的平均摩爾質量不再改變，說明達到了平衡，故d正確．
故答案為：ac；
②溫度一定時，正反應為氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡向正反應方向移動，CO的轉化率增大，故壓強P_A＜P_B，
故答案為：＜；
③若達到化學平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L，CO轉化率為50%，則轉化的CO為10mol×50%=5mol，則：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10     20         0
變化量（mol）：5      10         5
平衡量（mol）：5     10         5
平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
如果反應開始時仍充入10molCO和20molH₂，在平衡狀態(tài)B時CO轉化率為80%，則轉化的CO為10mol×80%=8mol，則：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10    20       0
變化量（mol）：8     16       8
平衡量（mol）：2    4       8
設體積為VL，則$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，解得V=4，
故答案為：4；
（3）①燃料SO₂為負極失電子發(fā)生氧化反應，故電極反應方程式為SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②當甲中消耗2.24LO₂（標準狀況）時，失去電子的物質的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$×4=0.4mol，則電解法陰極，即a電極得到電子的物質的量為0.4mol，故析出銅的質量為$\frac{0.4mol}{2}$×64g/mol=12.8g，
故答案為：12.8．

點評 本題考查熱化學方程式的書寫、平衡狀態(tài)判斷、蓋斯定律應用、原電池電極方程式的書寫等，題目比較綜合，需學生具備扎實的基礎，是對學生綜合能力的考查，（3）中體積計算為難點，注意掌握平衡常數應用，難度中等．