Question

14．甲醇合成反应及其能量变化如图a所示：

（1）写出合成甲醇的热化学方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol．
（2）实验室在1L的密闭容器中进行模拟合成实验．将1mol CO和2mol H₂通入容器中，分别恒温在300℃和500℃反应，每隔一段时间测得容器内CH₃OH的浓度如下表所示：

时间浓度（mol/L）温度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

在300℃反应开始10min内，H₂的平均反应速率为v（H₂）=0.08mol/（L•min）．
（3）在500℃达到平衡时，平衡常数K=25．
（4）在另一体积不变的密闭容器中，充入1.2mol CO和2.0mol H₂，一定条件下达到平衡，测得容器中压强为起始压强的一半．计算该条件下H₂的转化率为80%．
（5）铜基催化剂具有活性高、选择性好和条件温和的特点，已广泛地使用于CO/CO₂的加氢合成甲醇．使用铜基催化剂后，该反应中a的大小变化对反应热△H有无影响，无影响．（填“有影响”或“无影响”）
（6）2009年，长春应用化学研究所在甲醇燃料电池技术上获得新突破，原理如图b所示．请写出从C口通入O₂发生的电极反应式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
（7）用上述电池做电源，用图c装置电解饱和食盐水（C₁、C₂均为石墨电极）．
①该反应的离子方程式2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑．
②电解开始后在电极C₂的周围（填“C₁”或“C₂”）先出现红色．

Answer 1

分析 （1）由图可知，1molC（s）与2molH₂（g）反应生成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
（2）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
（3）500℃达到平衡时，40min处于平衡状态，计算平衡时各组分物质的量浓度，再根据平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算；
（4）恒温恒容条件下，压强之比等于物质的量之比，据此计算平衡时混合气体总物质的量，利用差量法计算参加反应氢气物质的量，进而计算氢气的转化率；
（5）反应热只与始态与终态有关，与反应过程无关；
（6）氧气发生还原反应，与通过质子交换膜的氢离子结合生成水；
（7）①电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气；
②C₁连接电源正极，为阳极，C₂连接电源负极，为阴极，电解过程中，阳极氯离子失去生成氯气，阴极水电离的氢离子得到电子生成氢气，同时产生氢氧根离子．

解答 解：（1）由图可知，1molC（s）与2molH₂（g）反应生成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ，应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
故答案为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
（2）在300℃反应开始10min内，生成的甲醇为0.4mol，则v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.4mol}{1L}}{10min}$=0.04mol/（L•min），H₂的平均反应速率为v（H₂）=2V（CH₃OH）=0.08mol/（L•min）；
故答案为：0.08mol/（L•min）；
（3）500℃达到平衡时，40min处于平衡状态，平衡时甲醇的浓度为0.8mol/L，则：
              CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）：1     2       0
变化量（mol/L）：0.8   1.6    0.8
平衡量（mol/L）：0.2   0.4    0.8
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，
故答案为：25；
（4）恒温恒容条件下，压强之比等于物质的量之比，平衡时混合气体总物质的量为（1.2mol+2.0mol）×$\frac{1}{2}$=1.6mol，即混合气体减小的物质的量为1.6mol，
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）物质的量减小
        2                    2
        1.6mol               1.6mol
故该条件下H₂的转化率为=$\frac{1.6mol}{2mol}$×100%=80%；
故答案为：80%；
（5）反应中的a是反应的活化能，影响因素是催化剂，反应热只与始态与终态有关，与反应过程无关，所以对反应热的影响无关；
故答案为：无影响；
（6）氧气发生还原反应，与通过质子交换膜的氢离子结合生成水，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（7）①电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，反应离子方程式为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，
故答案为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
②C₁连接电源正极，为阳极，C₂连接电源负极，为阴极，电解过程中，阳极氯离子失去生成氯气，阴极水电离的氢离子得到电子生成氢气，同时产生氢氧根离子，所以在阴极C₂先变红，
故答案为：C₂．

点评 本题考查化学平衡计算、热化学方程式书写、电化学等，需要学生熟练掌握基础知识并灵活应用，题目难度中等．