Question

6．甲醇、天燃氣是重要的化工原料，又可作為燃料．利用合成氣（主要成分為CO、CO₂和H₂）在催化劑的作用下合成甲醇、甲烷．已知合成甲醇發(fā)生的主反應(yīng)如下（已知CO的結(jié)構(gòu)式為C≡O(shè)）：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₁
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂
③CO（g）+H₂O（g ）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
回答下列問題：
（1）已知反應(yīng)①中相關(guān)的化學(xué)鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學(xué)鍵	H-H	C-O	C≡O(shè)	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1076	465	413

由此計算△H₁=+99kJ/mol．已知△H₂=-58kJ•mol^-1，則△H₃=-41kJ/mol．
（2）在容積為1.00L的容器中，通入一定量的甲醇發(fā)生反應(yīng)①．100℃時，體系中各物質(zhì)濃度隨時間變化如圖1所示（平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率記作a₁）．

①在0-60s時段，反應(yīng)速率v（CO）為0.001mol/（L•s）；該反應(yīng)的平衡常數(shù)K₁的表達式為$\frac{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$．
②已知若在恒壓條件下進行，平衡時CH3OH的轉(zhuǎn)化率a₂＞a₁（填“大于”或“小于”、“等于”），判斷理由是因為該反應(yīng)為體積增大的反應(yīng)，所以恒壓相當(dāng)于在恒容的基礎(chǔ)上減小壓強，平衡正向移動．
（3）合成CH₄的原理：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1．其他條件相同，實驗測得在T₁和P₁與T₂和P₂條件下該反應(yīng)的H₂平衡轉(zhuǎn)化率相同，若T₁＞T₂，則P₁＞P₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）科學(xué)家用氮化鎵材料與銅組裝如圖2所示的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置成功地實現(xiàn)了以CO₂和H₂O合成CH₄①寫出銅電極表面的電極反應(yīng)式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．
②為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸（選填“鹽酸”或“硫酸”）．
（5）標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將22.4L的甲烷完全燃燒生成的CO₂通入到0.1L 1mol•L^-1的NaOH溶液中，所得溶液中離子濃度由大到小的順序為c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．
（6）天然氣中的少量H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能計算反應(yīng)①的焓變，根據(jù)蓋斯定律計算反應(yīng)③的焓變；
（2）①反應(yīng)①為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），根據(jù)圖象，反應(yīng)經(jīng)歷的時間為△t=60s，H₂的濃度改變量為0.120mol/L，根據(jù)反應(yīng)方程式，則生成了CO物質(zhì)的量濃度為0.06mol/L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平均速率計算公式v（CO）=$\frac{△c}{△t}$計算；
②反應(yīng)CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，隨著反應(yīng)進行，體系壓強增大，若在恒壓條件下反應(yīng)，以恒容容器為參考，隨著反應(yīng)進行，若平衡不發(fā)生移動，則平衡時兩個容器中CH₃OH的轉(zhuǎn)化率一樣，但恒壓容器最終平衡時相對于恒容容器而言是減壓的，則反應(yīng)向增壓方向，即正反應(yīng)方向進行，據(jù)此分析；
（3）合成CH₄的原理：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ/mol，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，若T₁＞T₂，升高溫度，對逆反應(yīng)有利，反應(yīng)逆向移動，則體系壓強增大，據(jù)此判斷；
（4）①根據(jù)裝置圖，Cu表面CO₂轉(zhuǎn)化為CH₄，此過程C得到電子，反應(yīng)在水溶液中進行，存在質(zhì)子交換膜，因此質(zhì)子參與反應(yīng)，反應(yīng)生成水，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；
②為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸，因為鹽酸極易受溫度影響而易揮發(fā)；
（5）標(biāo)準(zhǔn)狀況下，22.4L甲烷，物質(zhì)的量為1mol，完全燃燒生成的CO₂通入到0.1L 1mol/L的NaOH溶液中，可見是NaOH不足量，反應(yīng)生成NaHCO₃，據(jù)此分析溶液中粒各離子的濃度大��；
（6）一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，發(fā)生的反應(yīng)是空氣中的O₂氧化NH₄HS生成單質(zhì)硫，反應(yīng)產(chǎn)生NH₃•H₂O，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式，注意配平．

解答 解：（1）根據(jù)△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能計算反應(yīng)①的焓變，則△H₁=（413×3+343+465）-（1076+2×436）=+99kJ/mol，反應(yīng)③可由-（①+②）得到，根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)③的焓變?yōu)椤鱄=-（△H₁+△H₂）=-（99-58）=-41kJ/mol，
故答案為：+99kJ/mol；-41kJ/mol；
（2）①反應(yīng)①為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），根據(jù)圖象，反應(yīng)經(jīng)歷的時間為△t=60s，H2的濃度改變量為0.120mol/L，根據(jù)反應(yīng)方程式，則生成了CO物質(zhì)的量濃度為0.06mol/L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平均速率計算公式v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.06mol/L}{60s}$=0.001mol/（L•s），該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為K₁=$\frac{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$，
故答案為：0.001mol/（L•s）；$\frac{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$；
②反應(yīng)CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)為氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，隨著反應(yīng)進行，體系壓強增大，若在恒壓條件下反應(yīng)，以恒容容器為參考，隨著反應(yīng)進行，若平衡不發(fā)生移動，則平衡時兩個容器中CH₃OH的轉(zhuǎn)化率一樣，但恒壓容器最終平衡時相對于恒容容器而言是減壓的，則反應(yīng)向增壓方向，即正反應(yīng)方向進行，CH₃OH的轉(zhuǎn)化率增大，因此恒容容器中CH₃OH的轉(zhuǎn)化率低于恒壓容器中的CH₃OH轉(zhuǎn)化率，則a₂＞a₁，
故答案為：＞；
（3）合成CH₄的原理：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ/mol，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，若T₁＞T₂，升高溫度，對逆反應(yīng)有利，反應(yīng)逆向移動，則體系壓強增大，因此若T₁＞T₂，則p₁＞p₂，
故答案為：＞；
（4）①根據(jù)裝置圖，Cu表面CO₂轉(zhuǎn)化為CH₄，此過程C得到電子，反應(yīng)在水溶液中進行，存在質(zhì)子交換膜，因此質(zhì)子參與反應(yīng)，反應(yīng)生成水，則Cu電極的電極反應(yīng)式為CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量的酸，考慮到鹽酸極易受溫度影響而易揮發(fā)，因此選擇加入少量的硫酸，
故答案為：硫酸；
（5）標(biāo)準(zhǔn)狀況下，22.4L甲烷，物質(zhì)的量為1mol，完全燃燒生成的CO₂通入到0.1L 1mol/L的NaOH溶液中，可見是NaOH不足量，反應(yīng)生成NaHCO₃，溶液是堿性，則溶液中c（OH^-）＞c（H⁺），HCO₃^-水解，因此c（Na⁺）＞c（HCO₃^-），由于還存在水電離，則溶液中最終c（H⁺）＞c（CO₃^2-），因此所得溶液中離子濃度由大到小的順序為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-），
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）；
（6）一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，發(fā)生的反應(yīng)是空氣中的O₂氧化NH₄HS生成單質(zhì)硫，反應(yīng)產(chǎn)生NH₃•H₂O，則反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，
故答案為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．

點評 本題主要考查化學(xué)原理知識，包含焓變的計算，蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡的移動，電極反應(yīng)式的書寫，溶液中離子濃度大小的比較，鹽類水解，氧化還原反應(yīng)方程式的書寫，涉及的知識點較多，題目難度中等．