Question

18．碳和碳的化合物在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用非常廣泛，在提倡健康生活已成潮流的今天，“低碳生活”不再只是一種理想，更是一種值得期待的新的生活方式．
（1）某經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)將鈦冶煉廠與氯堿廠、甲醇廠組成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈（如圖1所示），大大地提高了資源利用率，減少了環(huán)境污染．

①由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
已知該反應(yīng)在300℃時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)為0.27，該溫度下將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此時(shí)反應(yīng)將向逆反應(yīng)方向進(jìn)行（填“向正反應(yīng)方向進(jìn)行”、“向逆反應(yīng)方向進(jìn)行”或“處于平衡狀態(tài)”）．
②寫出鈦鐵礦經(jīng)氯化得到四氯化鈦的化學(xué)方程式：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO．
③若不考慮生產(chǎn)過(guò)程中物質(zhì)的任何損失，該產(chǎn)業(yè)鏈中每合成38.4t甲醇，至少需額外補(bǔ)充H₂2.0t．
（2）將兩個(gè)石墨電極插入H₂SO₄溶液中，向兩極分別通入C₃H₈和O₂，構(gòu)成丙烷燃料電池．
①負(fù)極電極反應(yīng)式是：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②某同學(xué)利用丙烷燃料電池設(shè)計(jì)了一種電解法制取Fe（OH）₂的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2所示），通電后，溶液中產(chǎn)生大量的白色沉淀，且較長(zhǎng)時(shí)間不變色．下列說(shuō)法中正確的是ABD（填序號(hào)）
A．電源中的a一定為正極，b一定為負(fù)極
B．可以用NaCl溶液作為電解液
C．A、B兩端都必須用鐵作電極
D．陰極發(fā)生的反應(yīng)是：2H⁺+2e^-═H₂↑
（3）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入體積為2L的恒容密閉容器中，進(jìn)行反應(yīng)：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三組數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	達(dá)到平衡所需時(shí)間/min
		H2O	CO	CO2
1	650	2	4	1.6	5
2	900	1	2	0.4	3
3	900	1	2	0.4	1

①該反應(yīng)的正反應(yīng)為放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)；
②實(shí)驗(yàn)2中，平衡常數(shù)K=$\frac{1}{6}$；
③實(shí)驗(yàn)3跟實(shí)驗(yàn)2相比，改變的條件可能是使用了催化劑或增大了壓強(qiáng)（答一種情況即可）．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)濃度熵?cái)?shù)值和平衡常數(shù)的大小關(guān)系來(lái)判斷；
②從圖示可知氯化時(shí)的反應(yīng)物、生成物，再根據(jù)得失電子和原子守恒即可得出該反應(yīng)的方程式；
③根據(jù)CO和H₂合成甲醇的方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）以及2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得到相應(yīng)關(guān)系式來(lái)計(jì)算；
（2）①根據(jù)C₃H₈和O₂構(gòu)成丙烷燃料電池，負(fù)極丙烷失去電子生成二氧化碳?xì)怏w；
②A、B端析出氫氣可驅(qū)趕原溶液中溶解的少量氧氣；
B、電解液選用NaCl溶液不影響實(shí)驗(yàn)，因?yàn)殛?yáng)極是鐵失電子生成亞鐵離子，溶液中的陰離子不放電；
C、陽(yáng)極應(yīng)該用鐵電極，陰極用惰性電極亦可；
D、B電極反應(yīng)是陰極氫離子放電生成氫氣；
（3）①比較第二組的第一組反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大小以及溫度對(duì)化學(xué)平衡和轉(zhuǎn)化率的影響來(lái)判斷；
②首先利用三段式計(jì)算出平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，根據(jù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$計(jì)算；
③實(shí)驗(yàn)3跟實(shí)驗(yàn)2相比，溫度相同，濃度相同，但實(shí)驗(yàn)3達(dá)到平衡所用時(shí)間少，反應(yīng)速率更大，但平衡狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)．

解答 解：（1）①將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此狀態(tài)的濃度熵Qc=$\frac{1}{1×1．{5}^{2}}$=0.44＞0.27，即Qc＞K，所以此時(shí)反應(yīng)將向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，
故答案為：向逆反應(yīng)方向進(jìn)行；
②從圖示可知氯化時(shí)的反應(yīng)物為FeTiO₃、C、Cl₂，生成物為FeCl₃、TiCl₄、CO，再根據(jù)得失電子和原子守恒即可得出該反應(yīng)的方程式為：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO，
故答案為：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO；
③由方程式2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得如下關(guān)系式：
6CH₃OH→6CO→7Cl₂→7H₂，而6CH₃OH→12H₂，故每生產(chǎn)6molCH₃OH（192g）需額外補(bǔ)充5molH₂（10g），則生產(chǎn)38.4t甲醇，至少需額外補(bǔ)充氫氣的質(zhì)量為：$\frac{38.4×1{0}^{3}g}{192g}$×5×2g/mol=2.0t，
故答案為：2.0t；
（2）①C₃H₈和O₂構(gòu)成丙烷燃料，電解質(zhì)溶液為硫酸，則負(fù)極丙烷失去電子生成二氧化碳?xì)怏w，負(fù)極的電極反應(yīng)式為：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺，
故答案為：C₃H₈-20e^-+6H₂O=3CO₂+20H⁺；
②A．因?yàn)樯�成的氫氣將裝置中原有氧氣溢出，所以氫氣從B端陰極析出，A電極則是鐵做陽(yáng)極失去電子生成亞鐵離子，電源中的a與A相連，則a為正極，b與B相連，則b為負(fù)極，故A正確；
B．電解池中陽(yáng)極是鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成亞鐵離子，陰極是溶液中的氫離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以電解質(zhì)溶液中的陰離子不會(huì)在陽(yáng)極失電子，所以選用NaCl溶液不影響實(shí)驗(yàn)，故B正確；
C．陽(yáng)極應(yīng)該用鐵電極，陰極可以是鐵也可以是其他惰性電極，故C錯(cuò)誤；
D．陰極氫離子放電，其電極反應(yīng)為2H⁺+2e^-=H₂↑，故D正確；
故答案為：ABD；
（3）①實(shí)驗(yàn)1中CO的轉(zhuǎn)化率為：$\frac{1.6mol}{4mol}$×100%=40%，實(shí)驗(yàn)2中CO的轉(zhuǎn)化率為：$\frac{0.4mol}{2mol}$×100%=20%，則實(shí)驗(yàn)1的轉(zhuǎn)化率大于實(shí)驗(yàn)2，則說(shuō)明溫度升高平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)放熱，
故答案為：放；
②H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g）
初始 1mol/L  2mol/L     0        0
轉(zhuǎn)化0.4mol/L 0.4mol/l  0.4mol/l  0.4mol/l
平衡0.6mol/L 1.6mol/L  0.4mol/l  0.4mol/l 
根據(jù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.6×1.6}$=$\frac{1}{6}$，
故答案為：$\frac{1}{6}$；
③實(shí)驗(yàn)3跟實(shí)驗(yàn)2相比，溫度相同，濃度相同，但實(shí)驗(yàn)3達(dá)到平衡所用時(shí)間少，反應(yīng)速率更大，但平衡狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)，應(yīng)是使用了催化劑，又由于反應(yīng)前后氣體體積不變，則增大了壓強(qiáng)，平衡也不移動(dòng)，也可能為壓強(qiáng)的增大，
故答案為：使用了催化劑或增大了壓強(qiáng)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)分離與提純方法、化學(xué)平衡、原電池原理等在，題目難度中等，做題時(shí)注意把握影響平衡移動(dòng)的因素以及平衡常數(shù)的有關(guān)計(jì)算方法，明確原電池工作原理，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及靈活應(yīng)用能力．