Question

2．甲醇是一种新型的汽车动力燃料，工业上可通过CO和H₂化合来制备CH₃OH（g）．已知某些化学键的键能数据如表：

化学键	C-C	C-H	H-H	C-O	C≡O	H-O
键能/kJ•mol-1	348	413	436	358	1072	463

请回答下列问题：
（1）已知CO中的C与O之间为叁键连接，则工业制备CH₃OH（g）的热化学方程式为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1．
（2）在恒温恒容时，下列说法中能表明上述反应达到平衡状态的有ABD．
A．CO的物质的量不再变化B．v（H₂）_正=2v（CH₃OH）_逆
C．混合气体的密度不再变化D．混合气体的平均相对分子质量不再变化
（3）某研究小组在初始投料量相同的条件下，分别在250℃、300℃、350℃模拟以上工业生产进行实验，测定不同温度下CO的平衡转化率与压强的关系如图1所示．（A、B、C分别表示不同温度）

①T_C=350℃；K_A＞K_B（填“＞”、“＜”或“=”）
②实际生产时，通常选择温度为A℃、压强1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是此压强下CO的转化率已较高，再增大压强转化率提高不大且会增加生产成本．
（4）如图2，常温下，利用甲醇燃料电池电解100mL 0.1食盐水，电解一段时间后，收集到氢气0.224L（已换算成标况下，忽略电解前后溶液体积的变化）．
①电解后恢复至常温，U型管中溶液的pH=13（忽略Cl₂与NaOH的反应）
②继续电解一段时间，将燃料电池中产生的0.1mol CO₂通入到含有0.15mol NaOH的溶液中，则所得溶液中所有离子的浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）依据化学反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和计算，标注物质聚集状态和对应反应的焓变写出热化学方程式；
（2）当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，由此衍生的一些物理量不变，注意该反应是在一个反应前后气体体积不变的容器中进行的反应；
（3）①升高温度CO的转化率降低，曲线c转化来看最低，温度应最高，即为350℃；平衡常数与压强无关，只与温度有关，结合平衡移动判断；
②由图可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，且增大成本；
（4）①根据电解氯化钠溶液的电解方程式来求溶液的PH；②先判断CO₂和NaOH溶液反应的产物，然后根据水解来解答．

解答 解：（1）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），反应的焓变可以根据反应物的总键能和生成物的总键能计算得到，焓变=反应物总键能之和-生成物总键能之和，依据图表提供的化学键的键能计算得到，）△H₁═1072KJ/mol+2×436KJ/mol-（3×413KJ/mol+358KJ/mol+463KJ/mol）=-116 kJ•mol^-1，热化学方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1，
故答案为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1；
（2）A．CO的物质的量不再变化，浓度不变，表明上述反应达到平衡状态，故A正确；
B．v（H₂）_正=2v（CH₃OH）_逆能说明正逆反应速率相等，即化学反应达到平衡，故B正确；
C．反应是前后都是气体，气体质量不变，恒温恒容，体积不变，混合气体的密度ρ=$\frac{m}{v}$，始终不变，故C错误；
D．容器内气体的平均摩尔质量等于总质量除以总物质的量，质量守恒保持不变，但是n变化，当气体的平均摩尔质量不变了，证明达到平衡，故D正确；
故答案为：ABD；
（3）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1升高温度CO的转化率降低，曲线c转化来看最低，温度应最高，即为350℃，相同压强下，温度越高，CO的转化率越小，所以A为250℃，B为300℃，平衡常数与压强无关，只与温度有关，相同压强下，温度越高，CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则平衡常数减小，故K_a＞K_b，
故答案为：350；＞；
②由图3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，且增大生成成本，得不偿失，故选择250°C、1.3x10⁴kPa左右，
故答案为：此压强下CO的转化率已较高，再增大压强转化率提高不大且会增加生产成本；
（4）①由方程式：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑
                                                          2            1
                                                         0.01mol     $\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol
由题可知：之后反应为直接电解水，溶液pH值不改变，C（H⁺）═$\frac{1{0}^{-14}}{\frac{0.01mol}{0.1L}}$=10^-13mol/L，所以PH=13，
故答案为13；
②由反应：CO₂ +2NaOH═Na₂CO₃+H₂O，CO₂ +NaOH═NaHCO₃，CO₂ 与NaOH的物质的量之比=0.1：0.15=1：1.5，故CO₂ 与NaOH都完全反应，所得产物为Na₂CO₃和NaHCO₃，设所得产物中含Na₂CO₃为xmol，NaHCO₃为ymol，则：x+y=0.1，2x+y=0.15，联立方程解得x=y=0.05，
所以产物为0.05molNa₂CO₃，0.05molNaHCO₃，因CO₃^2-水解，溶液呈碱性，溶液呈碱性，则c（OH^-）＞c（H⁺），盐水解程度较小，则c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），水中OH^-来源于CO₃^2-、HCO₃^-水解及水的电离，水的电离程度很小，则c（CO₃^2-）＞c（OH^-），所以c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评 本题考查热化学方程式的书写、化学平衡图象及影响因素、化学平衡状态判断、电化学、水解平衡等知识，综合性较强，注意掌握化学平衡常数的应用、化学平衡图象及影响因素，题目难度中等．