Question

7．文献报道：利用氯化氢氧化反应一脱水耦合工艺，可用有机氯化工艺的副产品氯化氢为原料制备氯气，实现氯的循环利用，原理为4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g）．将HC1和O₂分别以5种物质的量比：①1：1  ②2：1 ③4：1  ④6：1 ⑤8：1，向五个容积可变的容器中投料时，反应温度对HCl平衡转化氯影响的曲线如图．
请回答下列问题：
（1）可以判断该反应已经达到化学平衡的是BD． （填字母）．
A．密闭容器中总压强不变
B．密闭容器中混合气体的密度不变
C．v（HCl）=2v（Cl₂）
D．密闭容器中氣气的体积分数不变
（2）d曲线对应的投料比是6：1（填比值，从题干中选择，下同）．有机工业需要含O₂量低的氧气和氯化氢混合气体，可控制n（HCl）：n（O₂）=8：1制备．
（3）该反应的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{2}（C{l}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（HCl）c（{O}_{2}）}$．
（4）若按b曲线对应的投料比进行反应，且温度为415℃，反应达到平衡时Cl₂的体积分数为30.8%．
（5）用盐酸作甲醇燃料电池的电解质正在成为热点课题．甲醇可以用一氧化碳与氢气反应生成（催化剂为Cu₂O/ZnO）．
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1
CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=-182.9kJ•mol^-1
则 CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-100.1KJ/mol．
若将生成的CH₃OH与盐酸、氧气构成燃料电池，则燃料电池的负极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（2）在其他条件不变时，O₂的量越大，HCl的转化率越大；有机工业需要含O₂量低的氧气和氯化氢混合气体，HCl转化率最小；
（3）反应的平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（4）由图可读出投料比为2：1、温度为415℃时，HCl的转化率为80%，设投入的HCl为2 mol，O₂为1 mol，由此可建立三段式：
                      4HCl+O₂=2Cl₂+2H₂O 
n（起始）/mol  2       1     0     0 
n（转化）/mol   1.6       0.4   0.8     0.8 
n（平恒）/mol   0.4       0.6   0.8     0.8 
计算平衡混合气中Cl₂的物质的量分数；
（5）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；若将生成的CH₃OH与盐酸、氧气构成燃料电池，则燃料电池的负极反应为甲醇燃烧失电子生成二氧化碳；

解答 解：（1）4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g），反应是气体体积减小的反应，
A．气体物质的量发生变化，当密闭容器中总压强不变，说明反应达到平衡状态，故A正确；
B．气体质量不变，体积不变，密闭容器中混合气体的密度始终不变，故B错误；
C．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，为正反应速率之比，v（HCl）=2v（Cl₂）不能说明正逆反应速率相同，不能说明反应达到平衡状态，故C错误；
D．密闭容器中氣气的体积分数不变是平衡标志，故D正确；
故答案为：BD；
（2）在其他条件不变时，O₂的量越大，HCl的转化率越大，由此可确定a为1：1，b为2：1，c为4：1，d为6：1，e为8：1，有机工业需要含O₂量低的氧气和氯化氢混合气体，可控制n（HCl）：n（O₂）=8：1，
故答案为：6：1；8：1；
（3）4HCl（g）+O₂（g）?2Cl₂（g）+2H₂O（g），反应的平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{l}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（HCl）c（{O}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{{c}^{2}（C{l}_{2}）{c}^{2}（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（HCl）c（{O}_{2}）}$；
（4）由图可读出投料比为2：1、温度为415℃时，HCl的转化率为80%，设投入的HCl为2 mol，O₂为1 mol，由此可建立三段式：
                            4HCl+O₂=2Cl₂+2H₂O 
n（起始）/mol      2        1        0       0 
n（转化）/mol   1.6       0.4    0.8     0.8 
n（平恒）/mol   0.4       0.6    0.8     0.8 
计算平衡混合气中Cl₂的物质的量分数=$\frac{0.8mol}{0.4mol+0.6mol+0.8mol+0.8mol}$×100%=30.8%，
故答案为：30.8%；
（5）①2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1
②CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=-182.9kJ•mol^-1
则 依据盖斯定律计算（①-②×2）×$\frac{1}{2}$得到热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-100.1KJ/mol，
若将生成的CH₃OH与盐酸、氧气构成燃料电池，则燃料电池的负极反应为甲醇燃烧失电子生成二氧化碳；负极电极反应为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案为：-100.1KJ/mol；CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；

点评 本题考查了化学平衡标志判断、图象变化分析、转化率的理解应用、平衡常数计算、热化学方程式书写、原电池原理等知识点，掌握基础是解题关键，题目难度中等．