Question

12．运用化学反应原理知识研究如何利用CO、SC₂等有重要意义．
（1）用CO可以合成甲醇，已知：
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^-1；
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
则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a mol CO与2a mol H₂，在催化剂作用下反应生成甲醛，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℃，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“想右”）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，请写出该电池的负极的电极反应式SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺；
（5）CaSO₃溶液与CaC1₂溶液混合会生成难溶的CaSO₃（Ksp=3.1×10^-7），现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂SO₃溶液混合，若混合前Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为6.2×10^-4mol/L．用CaSO₃溶液充分吸收SO₂得NaHSO₂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）依据盖斯定律和热化学方程式计算得到；
（2）考虑影响反应速率的因素；
（3）①由图1可知，温度相同时，在压强为P₂时平衡时CO的转化率高，由反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知压强越大，越有利于平衡向正反应进行；
②由图1可知，在P₁压强下，100℃时，CO的转化率为0.5，据此计算CO的浓度变化量，根据三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，计算合成甲醇的化学平衡常数；
③在其它条件不变的情况下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，等效减小氢气的浓度，平衡向逆反应移动；
（4）反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，根据化合价变化判断负极物质，写出负极反应式；
②根据化合价变化判断阳极反应物质，写出阳极反应式；
（5）Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol/L，等体积混合后溶液中c（SO₃^2-）=1×10^-3mol/L，根据Ksp=c（SO₃^2-）•c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍；阳极是亚硫酸氢根氧化成硫酸根，而阴极是水中的氢离子放电生成氢气，所以总的电解反应方程式为：2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

解答 解：（1）用CO可以合成甲醇．已知：
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-285.8kJ/mol×2+764.5kJ/mol=-90.1kJ/mol，故答案为：-90.1；
（2）温度越高、压强越大，使用催化剂都可使反应速率增大，降低温度反应速率减慢，从体系中分离出甲醇，相当于减少浓度，反应速率减慢，
故答案为：ac；
（3））①由图1可知，温度相同时，在压强为P₂时平衡时CO的转化率高，由反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知压强越大，
越有利于平衡向正反应进行，故压强P₁＜P₂，
故答案为：小于；
②由于平衡常数与压强没有关系，所以根据图象可知，在100℃P₁时，CO的转化率是0.5，则
                 CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始浓度（mol/L） $\frac{a}{V}$       $\frac{2a}{V}$           0
转化浓度（mol/L）$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$           $\frac{a}{2V}$ 
平衡浓度（mol/L）$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$           $\frac{a}{2V}$
所以平衡常数K=$\frac{\frac{a}{2V}}{（\frac{a}{V}）^{2}×\frac{a}{2V}}$=$（\frac{V}{a}）^{2}$，
故答案为：$（\frac{V}{a}）^{2}$；
③在其它条件不变的情况下，向容器中通入CO、H₂、CH₃OH各0.5amol，等效减小氢气的浓度，平衡向逆反应移动，
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）Na₂SO₃溶液的浓度为2×10^-3mol/L，等体积混合后溶液中c（SO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×2×10^-3mol/L=1×10^-3mol/L，根据Ksp=c（SO₃^2-）•c（Ca²⁺）=3.1×10^-7可知，c（Ca²⁺）=$\frac{3.1×1{0}^{-7}}{1×1{0}^{-3}}$mol/L=3.1×10^-4mol/L，原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为6.2×10^-4mol/L，阳极是亚硫酸氢根氧化成硫酸根，而阴极是水中的氢离子放电生成氢气，所以总的电解反应方程式为：2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑，
故答案为：6.2×10^-4mol/L； 2NaHSO₃+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Na₂SO₃+H₂SO₄+H₂↑．

点评 本题考查影响平衡的因素、化学平衡常数、化学平衡图象、反应热的计算、电极反应式的书写等，难度中等，从化合价角度判断电极发生反应的物质时关键．