Question

12．燃煤能排放大量的CO、CO₂、SO₂，PM2.5（可入肺颗粒物）．污染跟冬季燃煤密切相关，SO₂．CO、CO₂也是对环境影响较大的气体，对它们的合理控制、利用是优化我们生存环境的有效途径．
（1）工业上可用CO₂和H₂反应合成甲醇．已知25°C、101kPa下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O （g）△H₁=-242kJ/mol
CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O△H₂=-676kJ/mol
写出CO₂与H₂反应生成CH₃OH（g）与H₂O （g）的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．
（2）工业上还可以通过下列反应制备甲醇：CO （g）+2H₂ （g）?CH₃OH （g）．在一容积可变的密闭容器中充入l0molCO和20molH₂，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图1所示．

①下列说法不能判断该反应达到化学平衡状态的是ac（填字母）．
a．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
b．H₂的体积分数不再改变
c．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等
d．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小P_A＜P_B（填“＞”“＜”或“=’’）．
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L．如果反应开始时仍充入10mol CO和20molH₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=4L．
（3）SO₂在一定条件下可与氧气构成原电池．图2是利用该电池在铁表面镀铜的装置示意图：
①该电池的负极反应：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②当甲中消耗2.24LO₂（标准状况）时，乙中a极增重12.8g．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律来计算化学反应的焓变，并书写热化学方程式；
（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温度一定时，正反应为气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大；
③A、B温度相同，平衡常数相同，若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L，CO转化率为50%，则转化的CO为10mol×50%=5mol，则：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10      20        0
变化量（mol）：5       10       5
平衡量（mol）：5      10       5
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
计算B状态时各组分物质的量，再结合平衡常数计算体积；
（3）①燃料SO₂为负极失电子发生氧化反应据此书写电极反应方程式；
②根据得失电子守恒进行计算．

解答 解：（1）H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O （g）△H₁=-242kJ/mol①；
CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O△H₂=-676kJ/mol②，①×3-②得，CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol，故CO₂与H₂反应生成CH₃OH（g）与H₂O （g）的热化学方程式为CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
（2）①a．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，不能说明到达平衡，当H₂的消耗速率等于CH₃OH的消耗速率的2倍时，反应到达平衡，故a错误；
b．H₂的体积分数不再改变是化学平衡的特征，达到了平衡，故b正确；
c．氢气、CO的转化率与它们起始物质的量有关，平衡时不一定相等，若起始物质的量之比等于化学计算量之比，转化率始终相等，故c错误；
d．混合气体总质量不变，随反应进行，混合气体总物质的量减小，平均摩尔质量增大，混合气体气体的平均摩尔质量不再改变，说明达到了平衡，故d正确．
故答案为：ac；
②温度一定时，正反应为气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，故压强P_A＜P_B，
故答案为：＜；
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L，CO转化率为50%，则转化的CO为10mol×50%=5mol，则：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10     20         0
变化量（mol）：5      10         5
平衡量（mol）：5     10         5
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
如果反应开始时仍充入10molCO和20molH₂，在平衡状态B时CO转化率为80%，则转化的CO为10mol×80%=8mol，则：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10    20       0
变化量（mol）：8     16       8
平衡量（mol）：2    4       8
设体积为VL，则$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，解得V=4，
故答案为：4；
（3）①燃料SO₂为负极失电子发生氧化反应，故电极反应方程式为SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
②当甲中消耗2.24LO₂（标准状况）时，失去电子的物质的量为$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$×4=0.4mol，则电解法阴极，即a电极得到电子的物质的量为0.4mol，故析出铜的质量为$\frac{0.4mol}{2}$×64g/mol=12.8g，
故答案为：12.8．

点评 本题考查热化学方程式的书写、平衡状态判断、盖斯定律应用、原电池电极方程式的书写等，题目比较综合，需学生具备扎实的基础，是对学生综合能力的考查，（3）中体积计算为难点，注意掌握平衡常数应用，难度中等．