Question

低碳循环正成为科学家研究的主要课题．最近有科学家提出由空气等原料合成燃料甲醇的构想，其技术流程图如下：请按要求回答下列问题：

（1）吸收池中反应的化学方程式为：

 

．
（2）向分解池中通入高温水蒸气的作用是

 

．
（3）已知在2×105Pa、300℃下：
①2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-akJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
写出合成塔中合成甲醇的热化学方程式（已知此反应为放热反应）：

 

（4）利用合成的甲醇，再设计甲醇-空气燃料电池，其电解质溶液为KOH溶液，该电池负极反应式为

 

；当消耗11.2LO₂（标准状况下）时，理论上转移电子的数目为

 

．
（5）利用甲醇等含碳燃料不完全燃烧时产生的混合气CO（g）和H₂O（g）在一定条件下反应可得到清沽燃料H₂．现将三组CO（g）和H₂O的混合气分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，一定条件下反应为CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得知如下数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需要的时间/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	2	4	0.5	1.5	5
2	900	1	2	0.5	0.5	-
3	900	a	b	c	d	-

①实验1前6min的反应速率v（CO₂）=

 

．
②实验2条件下平衡常数K=

 

；该反应的△H

 

0（填“＜”或“＞”）．
③实验3中，若平衡时的转化率α（CO）＞α（H₂O），则

a

b

的取值范围是

 

．
④若实验2、3平衡时各组分体积分数相等，则投料量a、b满足关系式：

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,用盖斯定律进行有关反应热的计算,原电池和电解池的工作原理

专题：

分析：（1）吸收池中是碳酸钾吸收二氧化碳的反应；
（2）KHCO₃受热易分解；
（3）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（4）甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置，甲醇在负极失电子发生氧化反应，正极是氧气得到电子生成氢氧根离子，依据原电池原理分析书写电极反应；根据消耗一个氧气，转移4个电子进行计算；
（5）①根据v=

△c

△t

计算反应速率；
②根据平衡常数表达式计算出实验2的平衡常数；根据温度变化，平衡时的生成物的物质的量的多少判断平衡移动的方向，判断反应热的符号；
③由于CO与H₂O的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等，要使CO转化率大于H₂O的转化率，则增大H₂O的物质的量；
④若实验2、3平衡时各组分体积分数相等，则实验2、3等效，又CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）是反应前后气体体积不变的反应，所以只要成比例即可．

解答： 解：（1）吸收池中是碳酸钾吸收二氧化碳的反应，方程式为：CO₂+K₂CO₃+H₂O=2KHCO₃↓，故答案为：CO₂+K₂CO₃+H₂O=2KHCO₃↓；
（2）KHCO₃受热易分解，向分解池中通入高温水蒸气，提供高温环境使KHCO₃分解，故答案为：提供高温环境使KHCO₃分解；
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-akJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-bkJ/mol
依据盖斯定律

②×3-①

2

得到合成甲醇的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=

-b×3+a

2

KJ/mol=

a-3b

2

KJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=

a-3b

2

KJ/mol；
（4）甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置，甲醇在负极失电子发生氧化反应，CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，根据消耗一个氧气，转移4个电子，则消耗11.2LO₂（标准状况下）时，理论上转移电子的数目为

11.2

22.4

×6.02×10 23×4=1.204×10²⁴
故答案为：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；1.204×10²⁴；
（5）①因为5分钟达平衡，所以前6min的反应速率即为5分钟达平衡时的速率，v（CO₂）=

1.5 2

5

=0.15mol/（L．min），故答案为：0.15 mol/（L．min）；
②实验2中达到平衡时，c（CO₂）=c（H₂）=

0.5

2

=0.25mol/L，c（CO）=

1-0.5

2

=0.25mol/L，c（H₂O）=

2-0.5

2

=0.75mol/L，
K=

0.25×0.25

0.25×0.75

=

1

3

；根据CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）可知压强对平衡移动无影响，如果在650℃，H₂O、CO的物质的量改为1mol、2mol，达到平衡时CO的物质的量应为0.75，而900℃时CO的物质的量应为0.5mol，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：

1

3

；＜；
③根由于CO与H₂O的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO转化率大于H₂O的转化率，则增大H₂O的物质的量，即

a

b

的值小于1，所以

a

b

的取值范围是0＜

a

b

＜1，
故答案为：0＜

a

b

＜1；
④若实验2、3平衡时各组分体积分数相等，则实验2、3等效，又CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）是反应前后气体体积不变的反应，所以只要成比例即可，即

a

b

=

1

2

，即b=2a，故答案为：b=2a．

点评：本题考查了盖斯定律的应用、原电池原理、反应速率的计算、平衡常数的计算与运用、溶度积的有关计算等，题目综合性较强，是对学生能力的考查，难度中等，注意把握反应原理的有关内容．