Question

8．化学原理是中学化学学习的重要内容．请回答下列问题：
（1）①己知：CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol，则CO₂和H₂反应生成CH₄的热化学方程式是CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9kJ/mol．
②有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图1所示，电池正极的电极反应式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是氯化铵．
（2）甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上可用合成气制备甲醇，反应为CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g），某温度下在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图2：
①从反应开始至平衡时，用CO表示化学反应速率为0.03mol/（L•min），该温度下的平衡常数为$\frac{75}{8}$；
②5min至10min时速率变化的原因可能是反应受热或使用了催化剂；
（3）①常温下，将V mL、0.1000mol/L氢氧化钠溶液逐滴加入到20.00mL、0.1000mol/L醋酸溶液中，充分反应（忽略溶液体积的变化）；如果溶液pH=7，此时V的取值＜20.00（填“＞”、“=”或“＜”），溶液中c（Na⁺）、c（CH₃COO^-）、c（H⁺）、c（OH^-）的大小关系是c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）＞c（H⁺）=c（OH^-）；
②常温下，将a mol/L的醋酸与b mol/L的氢氧化钠溶液等体积混合，反应后，溶液呈中性，则醋酸的电离常数为$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$（用含有a、b字母的代数式表示）．

Answer 1

分析 （1）①根据燃烧热写出①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依据盖斯定律，②×4-①来计算焓变；
②电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵；
（2）①根据v=$\frac{△c}{△t}$结合图象计算CH₃OH的速率，再根据速率之比等于系数之比计算CO的化学反应速率；根据平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）c（{H}_{2}）^{2}}$及各组分的浓度计算出该反应的平衡常数；
②反应速率加快，根据升温或者使用催化剂可以使反应速率加快分析；
（3）①溶液的酸碱性是根据溶液中H⁺浓度与OH^-浓度的相对大小判断的，只要溶液中c（H⁺）=c（OH^-），溶液就呈中性，CH₃COOH是弱电解质，电离程度不大，NaOH是强电解质，完全电离，反应生成的乙酸钠是强碱弱酸盐水解呈碱性，需溶液呈中性，需少加碱；根据溶液呈中性pH=7c（H⁺）=c（OH^-）结合电荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）进行解答；
②呈中性则c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）=bmol/L，以此计算．

解答 解：（1）①CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol；
则①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依据盖斯定律，②×4-①得到：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1×4+890.3KJ/mol=-252.9 kJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
②该电池的本质反应是合成氨反应，电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，则正极反应式为N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵溶液，
故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵；
（2）①根据图象CH₃OH的速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L•min），又速率之比等于系数之比，所以CO的化学反应速率也为0.03mol/（L•min）；又由图象可以看出平衡时氢气的物质的量为0.8mol，CO为0.4mol，CH₃OH为0.6mol，所以平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）c（{H}_{2}）^{2}}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$=$\frac{75}{8}$，
故答案为：0.03mol/（L•min）；$\frac{75}{8}$；
②反应速率加快，而且在10分钟的时刻，达平衡状态，可能是反应受热或使用了催化剂，
故答案为：反应受热或使用了催化剂；
（3）①CH₃COOH是弱电解质，电离程度不大，NaOH是强电解质，完全电离，反应生成的乙酸钠是强碱弱酸盐，水解呈碱性，需溶液呈中性pH=7，需少加碱，所以常温下，将V mL、0.1000mol•L^-1氢氧化钠溶液逐滴加入到20.00mL、0.1000mol•L^-1醋酸溶液中，充分反应，V＜20.00mL溶液呈中性pH=7，c（H⁺）=c（OH^-）；根据电荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），c（H⁺）=c（OH^-），溶液中的溶质为乙酸钠溶液，水的电离是微弱的，所以c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）＞c（H⁺）=c（OH^-），
故答案为：＜；c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）＞c（H⁺）=c（OH^-）； 
②呈中性则c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）=bmol/L，则CH₃COOH的电离常数K_a=$\frac{c（{H}^{+}）c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$=$\frac{1{0}^{-7}mol/L×bmol/L}{（a-b）mol/L}$=$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$，
故答案为：$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$．

点评 本题考查盖斯定律的应用、原电池原理、平衡的移动和溶液中的反应等相关知识，综合性强，比较有难度．