Question

12．丙烷曾多次作为奥运会火炬燃料，它也是液化石油气的主要成分．已知：
①2C₂H₈（g）+7O₂（g）=6CO（g）+8H₂O（l）△H=-2741.8kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
（1）反应C₂H₈（g）+5O₂（g）=3CO₂（g）+4H₂O（l）的△H=-2219.9kJ/mol．
（2）C₂H₈在不足量的氧气里燃烧，生成CO和CO₂以及气态水，将所有的产物通入一个固定体积的密闭容器中，在一定条件下发生如下可逆反应：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
①下列事实能说明该反应以达到平衡的是bd．
a．体系中的压强不发生反应
b．v_正（H₂）=v_逆（CO）
c．混合气体的平均相对分子质量不再发生变化
d．CO₂的浓度不再发生变化
②T℃时，在一定体积的容器中通入一定量的CO（g）和H₂O（g），发生反应并保持温度不变，各物质浓度变化如下表：

时间/min	CO	H2O（g）	CO2	H2
0	0.200	0.300	0	0
2	0.138	0.238	0.062	0.062
3	0.100	0.200	0.100	0.100
4	0.100	0.200	0.100	0.100
5	0.116	0.216	0.084	C1
6	0.096	0.266	0.104	C2

第5、6min时的数据是保持温度和体积不变时，改变某一条件后测得的．则第4～5min之间改变的条件是可能是增大氢气的浓度，第5～6min之间改变的条件是增大水蒸气的浓度．已知420℃时，该化学反应的平衡常数为9，如果反应开始时，CO和H₂O（g）的浓度都是0.01mol/L，则CO在此条件下的转化率为75%．又知397℃时该反应的平衡常数为12，请判断该反应的△H＜0（填“＞”“=”或“＜”）．
（3）依据（1）中的反应可以设计一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丙烷气体；燃料电池内部是熔融的参杂着氧化钇（Y₂O₃）的氧化锆（ZrO₂）晶体，在其内部可以传导O^2-．在电池内部O^2-移向负极（填“正”或“负”）；电池的负极反应式为C₃H₈+10O^2--20e-=3CO₂+4H₂O．
（4）用上述燃料电池，用惰性电池电解足量Al（NO₃）₃和NaCl的混合溶液．电解过程中，在阴极附近能观察到的现象是有气体生成，生成白色沉淀，后白色沉淀又溶解．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，（①+②×3）÷2可得：C₂H₈（g）+5O₂（g）=3CO₂（g）+4H₂O（l），反应热也进行相应计算；
（2）①可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
②反应中△c（CO）=△c（H₂O）=△c（CO₂）=△c（H₂），由表中数据可知，5min时与开始相比CO、H₂O、CO₂的浓度变化之比为1：1：1，且CO、H₂O浓度增大，CO₂浓度减小，平衡向逆反应移动，故可能增大氢气的浓度；
表中5min-6min之间，CO浓度降低0.02mol/L、H₂O的浓度增大0.05mol/L、CO₂的浓度增大0.02mol/L，CO、CO₂的浓度变化量之比为1：1，故应该是增大水蒸气的浓度；
420℃时，该化学反应的平衡常数为9，如果反应开始时，CO和H₂O（g）的浓度都是0.01mol/L，设平衡时变化的CO浓度为xmol/L，表示出平衡时各组分浓度，再根据平衡常数列方程计算解答；
420℃时，该化学反应的平衡常数为9，又知397℃时该反应的平衡常数为12，升高温度平衡常数减小，则平衡逆向移动，正反应为放热反应；
（3）原电池电解质溶液中阴离子向负极移动，原电池负极发生氧化反应，丙烷在负极失去电子，与O^2-结合生成二氧化碳与水；
（4）电解池阴极发生还原反应，水在阴极放电生成氢气与NaOH，氢氧根离子与铝离子反应生成氢氧化铝沉淀，最后氢氧化铝又溶于氢氧化钠溶液．

解答 解：（1）已知：①2C₂H₈（g）+7O₂（g）=6CO（g）+8H₂O（l）△H=-2741.8kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
根据盖斯定律，（①+②×3）÷2可得：C₂H₈（g）+5O₂（g）=3CO₂（g）+4H₂O（l），△H=[-2741.8kJ/mol+（-566kJ/mol）×3]÷2=-2219.9kJ/mol，
故答案为：-2219.9kJ/mol；
（2）①a．反应过程中混合气体总物质的量不变，恒温恒容下，体系中的压强始终不变，故a错误；
b．v_正（H₂）=v_逆（CO）说明CO的生成速率与消耗速率相等，反应到达平衡，故b正确；
c．反应过程中混合气体总物质的量不变，混合气体总质量不变，始终不变，故c错误；
d．CO₂的浓度不再发生变化，说明到达平衡，故d正确，
故选：bd；
②反应中△c（CO）=△c（H₂O）=△c（CO₂）=△c（H₂），由表中数据可知，5min时与开始相比CO、H₂O、CO₂的浓度变化之比为1：1：1，且CO、H₂O浓度增大，CO₂浓度减小，平衡向逆反应移动，故可能是增大氢气的浓度；
表中5min-6min之间，CO浓度降低0.02mol/L、H₂O的浓度增大0.05mol/L、CO₂的浓度增大0.02mol/L，CO、CO₂的浓度变化量之比为1：1，故应该是增大水蒸气的浓度；
420℃时，该化学反应的平衡常数为9，如果反应开始时，CO和H₂O（g）的浓度都是0.01mol/L，设平衡时变化的CO浓度为xmol/L，则：
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始浓度（mol/L）：0.01    0.01      0       0
变化浓度（mol/L）：x         x       x       x
平衡浓度（mol/L）：0.01-x  0.01-x  x        x
所以$\frac{x×x}{（0.01-x）×（0.01-x）}$=9，解得x=0.0075，则CO的转化率为$\frac{0.0075mol}{0.01mol}$×100%=75%；
420℃时，该化学反应的平衡常数为9，又知397℃时该反应的平衡常数为12，升高温度平衡常数减小，则平衡逆向移动，正反应为放热反应，则△H＜0，
故答案为：可能是增大氢气的浓度；增大水蒸气的浓度；75%；＜；
（3）原电池电解质溶液中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，在电池内部O^2-移向 负极，原电池负极发生氧化反应，丙烷在负极失去电子，与O^2-结合生成二氧化碳与水，电极反应式为：C₃H₈+10O^2--20e-=3CO₂+4H₂O，
故答案为：负；C₃H₈+10O^2--20e-=3CO₂+4H₂O；
（4）电解池阴极发生还原反应，水在阴极放电生成氢气与NaOH，氢氧根离子与铝离子反应生成氢氧化铝沉淀，最后氢氧化铝又溶于氢氧化钠溶液，电解过程中，在阴极附近能观察到的现象是：有气体生成，生成白色沉淀，后白色沉淀又溶解，
故答案为：有气体生成，生成白色沉淀，后白色沉淀又溶解．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、盖斯定律应用、电化学等，是对学生总综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础，难度中等．