Question

2．运用化学反应原理知识研究如何利用CO、SO₂等污染物有重要意义．

（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速率的是ac（填写序号）．
a．使用高效催化剂      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V L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醇，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；
③在其他条件不变的情况下，再增加a mol CO和2a mol H₂，达到新平衡时，CO的转化率增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（4）某科研小组用SO₂为原料制取硫酸．
①利用原电池原理，用SO₂、O₂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．请写出该电池负极的电极反应式：SO₂-2e^-+2H₂O═SO₄^2-+4H⁺．
②用Na₂SO₃溶液充分吸收SO₂得NaHSO₃溶液，然后电解该溶液可制得硫酸．电解原理示意图如图2．请写出开始时阳极反应的电极反应式：HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺．

Answer 1

分析 （1）将已知方程式变型得到目标方程式，依据盖斯定律计算反应热；
（2）据影响化学反应速率因素来分析；
（3）①相同温度下，同一容器中，增大压强，平衡向正反应方向移动，则CO的转化率增大；
②该温度下，平衡时n（CO）=amol×（1-0.5）=0.5amol，n（CH₃OH）=c（CO）（参加反应）=amol×0.5=0.5amol，n（H₂）=2amol-2×amol×0.5=amol，则c（CO）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（CH₃OH）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（H₂）=$\frac{a}{V}$mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
③在其它条件不变的情况下，再增加a mol CO和2a mol H₂，相当于增大压强，平衡向正反应方向移动；
（4）①依据原电池原理，负极是失电子发生氧化反应，二氧化硫失电子生成硫酸的过程；
②根据化合价变化判断阳极反应物质，写出阳极反应式．

解答 解：（1）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，
依据盖斯定律②+③×2-①得：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H，则△H=△H₂+2△H₃-△H₁=-90.1KJ/mol；
故答案为：-90.1；
（2）a．使用高效催化剂，加快化学反应速率，故a正确；      
b．降低反应温度，减慢化学反应速率，故b错误；
c．该反应有气体参加，增大体系压强，化学反应加快，故c正确；
d．不断将CH₃OH从反应混合物中分离出来，能使平衡向正向移动，但不影响甲醇的生成速率，故d错误，
故答案为：ac；
（3）：①相同温度下，同一容器中，增大压强，平衡向正反应方向移动，则CO的转化率增大，根据图象知，p₁小于p₂，
故答案为：小于；
②该温度下，平衡时n（CO）=amol×（1-0.5）=0.5amol，n（CH₃OH）=c（CO）（参加反应）=amol×0.5=0.5amol，n（H₂）=2amol-2×amol×0.5=amol，则c（CO）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（CH₃OH）=$\frac{0.5a}{V}$mol/L、c（H₂）=$\frac{a}{V}$mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.5a}{V}}{\frac{0.5a}{V}×（\frac{a}{V}）^{2}}$=（$\frac{V}{a}$）²，
故答案为：（$\frac{V}{a}$）²；
③在其它条件不变的情况下，再增加a mol CO和2a mol H₂，相当于将2amolCO、4amolH₂充入2VL密闭容器中，当反应达到平衡状态时再缩小体积至VL，增大压强，平衡向正反应方向移动，所以CO的转化率增大，
故答案为：增大；
（4）：①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⁺；
②电解池中阳极和电源正极相连，失去电子，发生氧化反应，电解NaHSO₃溶液可制得硫酸，硫的化合价升高，所以阳极是HSO₃^-溶液失去电子被氧化生成SO₄^2-，则阳极电极反应式是：HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺；
故答案为：HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺．

点评 本题考查反应热的计算、转化率与温度、压强关系，明确温度、压强对该反应平衡影响是解本题关键，注意（3）③中采用等效平衡方法解答，题目难度中等．