Question

7．煤、天然气是社会生产、生活中重要的能源．
（1）工业上常把煤进行气化和液化处理，使煤变成清洁能源．煤气化和液化流程示意图如下：

①已知H₂、CO和CH₃OH的燃烧热△H分别为-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1．写出由CO和H₂合成甲醇的热化学方程式CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol
②煤进行气化和液化的优点是利用率高，污染小
（2）天然气催化重整也可生成CO和H₂
①500℃，向一体积可变的密闭容器中充入一定量CH₄和水蒸气进行催化重整，下列能说明反应一定处于平衡状态的是AD
A．混合气体的密度不随时间变化         B．CO和H₂的体积分数之比不随时间变化
C．V_正（CH₄）=3v_逆（H₂）                   D．混合气体的平均相对分子质量不随时间变化
②CO和H₂可用作燃料电池．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图：

写出A电极反应式H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂ CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂
（3）CO一旦泄露会造成污染，环保检测中，有害气体的浓度常用1L有害气体的毫克值（mg/L）来表示，如对某气体样品中所含一氧化碳的浓度进行测定，其方法和实验步骤如下：
①首先将2.00L的气体样品通过盛有I₂O₅固体的加热管，反应后生成CO₂和I₂；
②用30.0mL 5.00×10^-3mol/L的硫代硫酸钠溶液恰好吸收所产生的碘，发生的反应为：
I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-，则样品中CO的浓度为5.25 mg/L．

Answer 1

分析 （1）①根据燃烧热的概念以及盖斯定律来计算化学反应的焓变；
②依据原料的利用率和对环境的影响分析判断；
（2）①化学反应达到平衡的标志是正逆反应速率相同，个组分含量保持不变，及其衍生出的各种物理量不变分析判断；
②甲烷和水经催化重整生成CO和H₂，反应中C元素化合价有-4价升高到+2价，H元素化合价由+1价降低到0价，原电池工作时，CO和H₂为负极反应，被氧化生成二氧化碳和水，正极为氧气得电子生成CO₃^2-，以此解答该题；
（3）根据关系式2Na₂S₂O₃～I₂，计算硫代硫酸钠溶液吸收所产生的碘后剩余的Na₂S₂O₃物质的量，进而计算CO还原出的I₂消耗Na₂S₂O₃的物质的量，再根据关系式：2Na₂S₂O₃～I₂～5CO，计算CO的物质的量，据此计算CO的浓度．

解答 解：（1）①由H₂（g）的燃烧热△H为-285.8kJ•mol^-1知，1molH₂（g）完全燃烧生成1molH₂O（l）放出热量285.8kJ，
即a、H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
b、CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
c、CH₃OH（l）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1，
由盖斯定律可知，a×2+b-c得：CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol，
故答案为：CO （g）+2H₂（g）═CH₃OH （l）△H=-128.1kJ/mol；  
②煤进行气化和液化的优点是原料全部被产品消纳（或原料全部转化为产品，或原子利用率100%等），实现“零排放”或不对环境造成污染等，
故答案为：利用率高，污染小；
（2）①天然气催化重整也可生成CO和H₂，500℃，向一体积可变的密闭容器中充入一定量CH₄和水蒸气进行催化重整，反应的化学方程式为CH₄+H₂O=CO+3H₂，是气体体积增大的反应，
A．体积可变的密闭容器，气体质量不变，体积若不变化，则混合气体的密度不随时间变化 说明反应达到平衡状态，故A正确；
B．CO和H₂的体积分数之比不随时间变化一氧化碳和氢气生成物质的量之比始终相同，不能说明反应达到平衡状态，故B错误；
C．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，为正反应速率之比，当3V_正（CH₄）=v_逆（H₂）时反应达到平衡状态，所以V_正（CH₄）=3v_逆（H₂）不能说明反应达到平衡状态，故C错误；
D．反应前后气体质量不变，气体物质的量变化，若混合气体的平均相对分子质量不随时间变化，说明反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：AD；  
②电解质没有OH^-，负极反应为：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂ ，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂，
故答案为：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，或H₂+2CO+CO₃^2--2e^-=H₂O+2CO₂；
（3）CO与I₂O₅反应生成CO₂和I₂，碳元素化合价由+2价升高为+4价，共升高2价，碘元素化合价由+5价降低为0价，共降低10价，化合价升降最小公倍数为10，故CO系数为5，I₂O₅系数为1．由原子守恒可知CO₂系数为5，I₂系数为1，反应方程式为5CO+I₂O₅=5CO₂+I₂．
  关系式：2Na₂S₂O₃～I₂～5CO
         2mol            5mol
   0.030.0L×5.00×10^-3mol/L  y
解得：y=3.75×10^-4mol
CO的浓度为$\frac{3.75×1{0}^{-4}mol×28g/mol}{2L}$=5.25×10^-3g/L=5.25mg/L．
故答案为：5.25 mg/L；

点评 本题考查热化学方程式书写，化学平衡状态分析判断方法，原电池原理的理解应用，氧化还原反应的滴定计算等，难度中等，对于多步反应计算通常利用关系式解答，理解关系式并熟练运用．