Question

低碳循環(huán)正成為科學(xué)家研究的主要課題．最近有科學(xué)家提出由空氣等原料合成燃料甲醇的構(gòu)想，其技術(shù)流程圖如下：請按要求回答下列問題：

（1）吸收池中反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

 

．
（2）向分解池中通入高溫水蒸氣的作用是

 

．
（3）已知在2×105Pa、300℃下：
①2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-akJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
寫出合成塔中合成甲醇的熱化學(xué)方程式（已知此反應(yīng)為放熱反應(yīng)）：

 

（4）利用合成的甲醇，再設(shè)計甲醇-空氣燃料電池，其電解質(zhì)溶液為KOH溶液，該電池負(fù)極反應(yīng)式為

 

；當(dāng)消耗11.2LO₂（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）時，理論上轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目為

 

．
（5）利用甲醇等含碳燃料不完全燃燒時產(chǎn)生的混合氣CO（g）和H₂O（g）在一定條件下反應(yīng)可得到清沽燃料H₂．現(xiàn)將三組CO（g）和H₂O的混合氣分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，一定條件下反應(yīng)為CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得知如下數(shù)據(jù)：

實驗組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		達(dá)到平衡所需要的時間/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	2	4	0.5	1.5	5
2	900	1	2	0.5	0.5	-
3	900	a	b	c	d	-

①實驗1前6min的反應(yīng)速率v（CO₂）=

 

．
②實驗2條件下平衡常數(shù)K=

 

；該反應(yīng)的△H

 

0（填“＜”或“＞”）．
③實驗3中，若平衡時的轉(zhuǎn)化率α（CO）＞α（H₂O），則

a

b

的取值范圍是

 

．
④若實驗2、3平衡時各組分體積分?jǐn)?shù)相等，則投料量a、b滿足關(guān)系式：

 

．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡的計算,用蓋斯定律進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)熱的計算,原電池和電解池的工作原理

專題：

分析：（1）吸收池中是碳酸鉀吸收二氧化碳的反應(yīng)；
（2）KHCO₃受熱易分解；
（3）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算得到；
（4）甲醇燃燒的反應(yīng)原理，設(shè)計如圖所示的電池裝置，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極是氧氣得到電子生成氫氧根離子，依據(jù)原電池原理分析書寫電極反應(yīng)；根據(jù)消耗一個氧氣，轉(zhuǎn)移4個電子進(jìn)行計算；
（5）①根據(jù)v=

△c

△t

計算反應(yīng)速率；
②根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式計算出實驗2的平衡常數(shù)；根據(jù)溫度變化，平衡時的生成物的物質(zhì)的量的多少判斷平衡移動的方向，判斷反應(yīng)熱的符號；
③由于CO與H₂O的化學(xué)計量數(shù)相等都為1，所以當(dāng)兩者物質(zhì)的量相等時二者轉(zhuǎn)化率相等，要使CO轉(zhuǎn)化率大于H₂O的轉(zhuǎn)化率，則增大H₂O的物質(zhì)的量；
④若實驗2、3平衡時各組分體積分?jǐn)?shù)相等，則實驗2、3等效，又CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）是反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，所以只要成比例即可．

解答： 解：（1）吸收池中是碳酸鉀吸收二氧化碳的反應(yīng)，方程式為：CO₂+K₂CO₃+H₂O=2KHCO₃↓，故答案為：CO₂+K₂CO₃+H₂O=2KHCO₃↓；
（2）KHCO₃受熱易分解，向分解池中通入高溫水蒸氣，提供高溫環(huán)境使KHCO₃分解，故答案為：提供高溫環(huán)境使KHCO₃分解；
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-akJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
依據(jù)蓋斯定律

②×3-①

2

得到合成甲醇的熱化學(xué)方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=

-b×3+a

2

KJ/mol=

a-3b

2

KJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=

a-3b

2

KJ/mol；
（4）甲醇燃燒的反應(yīng)原理，設(shè)計如圖所示的電池裝置，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，根據(jù)消耗一個氧氣，轉(zhuǎn)移4個電子，則消耗11.2LO₂（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）時，理論上轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目為

11.2

22.4

×6.02×10 23×4=1.204×10²⁴
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；1.204×10²⁴；
（5）①因為5分鐘達(dá)平衡，所以前6min的反應(yīng)速率即為5分鐘達(dá)平衡時的速率，v（CO₂）=

1.5 2

5

=0.15mol/（L．min），故答案為：0.15 mol/（L．min）；
②實驗2中達(dá)到平衡時，c（CO₂）=c（H₂）=

0.5

2

=0.25mol/L，c（CO）=

1-0.5

2

=0.25mol/L，c（H₂O）=

2-0.5

2

=0.75mol/L，
K=

0.25×0.25

0.25×0.75

=

1

3

；根據(jù)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）可知壓強對平衡移動無影響，如果在650℃，H₂O、CO的物質(zhì)的量改為1mol、2mol，達(dá)到平衡時CO的物質(zhì)的量應(yīng)為0.75，而900℃時CO的物質(zhì)的量應(yīng)為0.5mol，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0，
故答案為：

1

3

；＜；
③根由于CO與H₂O的化學(xué)計量數(shù)相等都為1，所以當(dāng)兩者物質(zhì)的量相等時二者轉(zhuǎn)化率相等．要使CO轉(zhuǎn)化率大于H₂O的轉(zhuǎn)化率，則增大H₂O的物質(zhì)的量，即

a

b

的值小于1，所以

a

b

的取值范圍是0＜

a

b

＜1，
故答案為：0＜

a

b

＜1；
④若實驗2、3平衡時各組分體積分?jǐn)?shù)相等，則實驗2、3等效，又CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）是反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，所以只要成比例即可，即

a

b

=

1

2

，即b=2a，故答案為：b=2a．

點評：本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、原電池原理、反應(yīng)速率的計算、平衡常數(shù)的計算與運用、溶度積的有關(guān)計算等，題目綜合性較強，是對學(xué)生能力的考查，難度中等，注意把握反應(yīng)原理的有關(guān)內(nèi)容．