Question

20．淮南是我国重要的煤炭生产基地，通过煤的气化和液化，能使煤炭得以更广泛的应用．
Ⅰ．工业上先将煤转化为CO，再利用CO和水蒸气反应制H₂时，存在以下平衡：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）向2L恒容密闭容器中充入CO和H₂O（g），800℃时测得部分数据如下表．

t/min	0	1	2	3	4
n（H2O）/mol	1.20	1.04	0.90	0.70	0.70
n（CO）/mol	0.80	0.64	0.50	0.30	0.30

则从反应开始到2min时，用H₂表示的反应速率为0.075mol••L^-1•min^-1；该温度下反应的平衡常数K=1.2（小数点后保留1位有效数字）．
（2）相同条件下，向2L恒容密闭容器中充入1molCO、3mol H₂O（g）、2molCO₂（g）、2mo1H₂（g），此时v_正＜v_逆（填“＞”“＜”或“=”）．
Ⅱ．已知CO（g）、H₂（g）、CH₃OH（l）的燃烧热分别为283kJ•mol^-1、286kJ•mol^-1、726 kJ•mol^-1．
（3）利用CO、H₂合成液态甲醇的热化学方程式为CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1．
（4）依据化学反应原理，分析升高温度对制备甲醇反应的影响升高温度使反应速率加快，平衡左移，CH₃OH产率减小．
Ⅲ．为摆脱对石油的过度依赖，科研人员将煤液化制备汽油，并设计了汽油燃料电池，电池工作原理如右图所示：一个电极通入氧气，另一电极通入汽油蒸气，电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它在高温下能传导O^2-．
（5）以己烷（C₆H₁₄）代表汽油，写出该电池工作时的负极反应方程式C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O．
（6）已知一个电子的电量是1.602×10^-19C，用该电池电解饱和食盐水，当电路中通过1.929×10⁵C的电量时，生成标况下氢气的体积为22.4L．

Answer 1

分析 I．（1）化学平衡常数为平衡时，生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
（2）温度不变，利用浓度商与化学平衡常数的大小，判断平衡移动方向，得到答案；
Ⅱ．（3）根据CO和CH₃OH的燃烧热先书写热方程式，再利用盖斯定律来分析甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式；
（4）正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动；
Ⅲ．（5）电解质能在高温下能传导O^2-，负极发生氧化反应，即C₆H₁₄失去电子生成CO₂，根据质量守恒和电荷守恒写出电极反应式；
（6）一个电子的电量是1.602×10^-19C，当电路中通过1.929×10⁵ C的电量时，电子的个数=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，电子的物质的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=
2mol，根据转移电子和氢气的关系式计算．

解答 解：（1）从反应开始到2min时，H₂O的物质的量变化量为0.3mol，则生成0.3mol氢气，用H₂表示的反应速率为v（H₂）=$\frac{\frac{0.3mol}{2L}}{2min}$=0.075mol••L^-1•min^-1；
反应物和生成物浓度不变时，达到平衡状态，3min后达到平衡状态，容器体积为2L，则c（H₂O）=0.350mol/L，c（CO）=0.150mol/L，c（H₂）=c（CO₂）=
0.600mol/L-0.350mol/L=0.250mol/L，化学平衡常数表达式为：K=$\frac{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]}{[CO]•[{H}_{2}O]}$═$\frac{0.250×0.250}{0.350×0.150}$=1.2，
故答案为：0.075mol••L^-1•min^-1；1.2；
（2）向2L恒容密闭容器中充入1mol CO、1mol H₂O（g）、2mol CO₂、2mol H₂，各物质浓度分别为：0.5mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1mol/L，浓度商=$\frac{1×1}{0.5×0.5}$=4＞1.2，平衡向逆反应方向移动，所以υ（正）＜υ（逆），
故答案为：＜；
Ⅱ．（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1
由盖斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}×$②得反应CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），该反应的反应热△H═-283.0kJ•mol^-1+（-286kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}×$（-726.5kJ•mol^-1）=-129kJ•mol^-1，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1
故答案为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1；
（4）正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，则升高温度使反应速率加快，平衡左移，CH₃OH产率减小，
故答案为：升高温度使反应速率加快，平衡左移，CH₃OH产率减小；
（5）电解质能在高温下能传导O^2-，负极发生氧化反应，即1molC₆H₁₄失去电子生成CO₂，共失去38mole^-，电极反应为：C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O，
故答案为：C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O； 
（6）一个电子的电量是1.602×10^-19C，当电路中通过1.929×10⁵ C的电量时，电子的个数=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，电子的物质的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=2mol，根据转移电子和氢气的关系式得氢气的物质的量为1mol，则体积为22.4L，
故答案为：22.4．

点评 本题考查较为综合，涉及影响化学平衡的计算、热化学方程式以及电解等知识，难度较大，构建平衡建立的途径进行比较是关键；探讨了能源的循环利用和温室效应的解决，着重考查了物质催化反应的过程，结合考查了化学反应速率和对图表的理解解析能力，综合能力要求较高．