Question

12．为了解决空气污染危机，中国煤炭业制定了“煤制气”计划．工业上可用煤生产合成气（CO和H₂），也可用煤制天然气．
（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）═C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
写出CO₂与H₂反应生成CH₄和H₂O的热化学方程式：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1．
（2）利用合成气可制备新型燃料甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H，下表所列数据是该反应在不同温度下的化学平衡常数（K）．

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①由表中数据可判断该反应的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
②某温度下，将2mol CO和6mol H₂充入2L的恒容密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c（CO）=0.2mol/L，则CO的转化率为80%，此时的温度为250℃（从上表中选择）．
（3）某实验小组依据甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置．工作一段时间后，测得溶液的pH减小，则该电池总反应的离子方程式为2CH₃OH+3O₂+4OH^-═2CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也进行相应的计算；
（2）①从表中数据可以看出，温度升高，K值减小，即温度升高时平衡逆向移动；
②起始时，CO和H₂的物质的量浓度分别为1 mol/L和3 mol/L，CO的平衡浓度为0.2 mol/L，计算CO浓度变化量，CO转化率=$\frac{CO浓度变化量}{CO起始浓度}$×100%；利用三段式计算平衡时各物质的浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数，进而判断温度；
（3）该燃料电池中，甲醇发生氧化反应生成CO₂和H₂O，CO₂与OH^-反应生成CO₃^2-与水．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）═CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）═C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，由③-①×2+②得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-171 kJ•mol^-1-（-41 kJ•mol^-1）×2-73 kJ•mol^-1=-162 kJ•mol^-1，
故反应热化学方程式为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1；
（2）①从表中数据可以看出，温度升高，K值减小，即温度升高时平衡逆向移动，所以该反应是放热反应，△H＜0，
故答案为：＜；
②起始时，CO和H₂的物质的量浓度分别为$\frac{2mol}{2L}$=1 mol/L和$\frac{6mol}{2L}$=3 mol/L，CO的平衡浓度为0.2 mol/L，则CO的转化浓度为0.8 mol/L，CO转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      3         0
转化（mol/L）：0.8    1.6       0.8
平衡（mol/L）：0.2    1.4       0.8
则该温度下，平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×1．{4}^{2}}$=2.041，对应的温度是250℃，
故答案为：80%；250℃；
（3）该燃料电池中，甲醇发生氧化反应生成CO₂和H₂O，CO₂与OH^-反应生成CO₃^2-与水，电池总反应离子方程式为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-═2CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-═2CO₃^2-+6H₂O．

点评 本题属于拼合型题目，涉及热化学方程式书写、平衡常数影响因素及计算、化学平衡计算、电池反应式书写等，侧重考查学生对知识的迁移应用，掌握利用盖斯定律书写热化学方程式与反应热有关计算，难度中等．