Question

13．运用化学反应原理知识研究如何利用CO、SO₂等有重要意义．
（1）用CO可以合成甲醇．
己知：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-764.5kJ•mol^-1
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.1kJ•mol^-1
（2）下列措施中能够增大上述合成甲醇反应的反应速率的是ac（填写序号）．
a．使用催化剂      b．降低反应温度
c．增大体系压强    d．不断将CH₃OH从反应混合物中分离出来
（3）在一定压强下，容积为VL的容器中充入amolCO与2amolH₂，在催化剂作用下反应生成甲醇，平衡转化率与温度、压强的关系如图1所示．

①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）．
②100℃时．该反应的化学平衡常数K=$（\frac{V}{a}）^{2}$．
③100℃时，达到平衡后，保持压强P₁不变的情况下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，则平衡向左（填“向左”、“不”或“向右”）移动．
（4）利用原电池原理，用SO₂和H₂O来制备硫酸，该电池用多孔材料作电极，它能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触．请写出该电池负极的电极反应式SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺．
（5）Na₂SO₃溶液与CaCl₂溶液混合会生成难溶的CaSO₃（K_sp=3.1×10^-7），现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂SO₃溶液棍合，若混合前Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol•L^-1，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为6.2×10^-4mol•L^-1．用Na₂SO₃溶液充分吸收SO₂得NaHSO₃溶液，然后电解该溶液，电解原理示意图如图2所示．请写出该电解池发生反应的化学方程式2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

Answer 1

分析 （1）①CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-764.5kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
由盖斯定律可知，②+③×2-①得到CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；
（2）增大浓度、温度，使用催化剂均可加快反应速率；
（3）①相同温度下，同一容器中，增大压强，平衡向正反应方向移动，则CO的转化率增大；
②该温度下，平衡时n（CO）=amol×（1-0.5）=0.5amol，n（CH₃OH）=c（CO）（参加反应）=amol×0.5=0.5amol，n（H₂）=2amol-2×amol×0.5=amol，则c（CO）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（CH₃OH）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（H₂）=$\frac{a}{V}$mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
③向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，Qc=$\frac{\frac{0.5a}{V}}{\frac{0.5a}{V}×（\frac{0.5a}{V}）^{2}}$，与K比较，判断反应进行的方向；
（4）用SO₂和H₂O来制备硫酸，负极上二氧化硫失去电子生成硫酸；
（5）若混合前Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol•L^-1，等体积混合后浓度为10^-3mol•L^-1，结合Ksp计算；由图可知电解产物，以此书写电解方程式．

解答 解：（1）①CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-764.5kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
由盖斯定律可知，②+③×2-①得到CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（-283.0kJ•mol^-1）+（-285.8kJ•mol^-1）×2-（-764.5kJ•mol^-1）=-90.1kJ/mol，
故答案为：-90.1；
（2）a．使用催化剂，可加快反应速率，故选；      
b．降低反应温度，反应速率减小，故不选；
c．增大体系压强，反应速率加快，故选；   
d．不断将CH₃OH从反应混合物中分离出来，平衡虽正向移动，但浓度减小、反应速率减小，故不选；
故答案为：ac；
（3）①相同温度下，同一容器中，增大压强，平衡向正反应方向移动，则CO的转化率增大，根据图象知，p₁小于p₂，
故答案为：小于；
②该温度下，平衡时n（CO）=amol×（1-0.5）=0.5amol，n（CH₃OH）=c（CO）（参加反应）=amol×0.5=0.5amol，n（H₂）=2amol-2×amol×0.5=amol，则c（CO）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（CH₃OH）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（H₂）=$\frac{a}{V}$mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$（\frac{V}{a}）^{2}$，
故答案为：$（\frac{V}{a}）^{2}$；
③向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，Qc=$\frac{\frac{0.5a}{V}}{\frac{0.5a}{V}×（\frac{0.5a}{V}）^{2}}$＞K=$（\frac{V}{a}）^{2}$，则平衡向左移动，
故答案为：向左；
（4）该原电池中，负极上失电子被氧化，二氧化硫到硫酸，硫的化合价升高，所以负极上投放的气体是二氧化硫，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，所以负极上的电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
（5）若混合前Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol•L^-1，等体积混合后浓度为10^-3mol•L^-1，生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为$\frac{3.1×1{0}^{-7}}{1{0}^{-3}}$mol/L×2=6.2×10^-4mol•L^-1；电解池中阳极和电源正极相连，失去电子，发生氧化反应，电解NaHSO₃溶液可制得硫酸，硫的化合价升高，所以阳极是HSO₃^-溶液失去电子被氧化生成SO₄^2-，阳极电极反应式为HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺，阴极上得到电子生成氢气，电解反应为2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑，
故答案为：6.2×10^-4mol•L^-1；2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、反应热的计算、Ksp的计算及电解等，为高频考点，把握盖斯定律应用、图象及平衡移动原理的结合、K与Qc及Ksp为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，综合性较强，题目难度中等．