Question

10．甲醇是一種可再生燃料，它的沸點(diǎn)為64.7℃，有科學(xué)家提出：把含有過(guò)量CO₂的空氣吹入碳酸鉀溶液中，然后再把CO₂從溶液中提取出來(lái)，經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后得到甲醇，其構(gòu)想流程如圖所示：
試回答下列問(wèn)題：
（1）寫出吸收池中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
（2）在2×10⁵Pa、300℃合成塔中，若有440g CO₂與H₂恰好完全反應(yīng)生成甲醇和水，放出495kJ的熱量，試寫出合成塔中發(fā)生反應(yīng)的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃）；
（3）在合成塔中發(fā)生的是放熱反應(yīng)，高溫不利于甲醇的生成，合成塔中維持300℃的較高溫度的原因可能是該溫度下催化劑的活性最高，較低溫時(shí)反應(yīng)速率過(guò)慢，生產(chǎn)效率低，若要提高甲醇的產(chǎn)率，可采取的措施有（寫兩條）降溫、加壓；
（4）甲醇的一個(gè)重要作用是可以制燃料電池，常用KOH作電解質(zhì)溶液，負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H；
（5）986℃時(shí)，在容積不變的密閉容器中加入一定量的CO₂和H₂發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g），CO₂、H₂的起始濃度都為1.0mol•L^-1，達(dá)到平衡濃度時(shí)CO₂、H₂的濃度均變?yōu)?.44mol•L^-1，試計(jì)算986℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)（寫出計(jì)算過(guò)程，保留2位有效數(shù)字）．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳通入飽和碳酸鉀溶液的吸收池中反應(yīng)生成碳酸氫鉀；
（2）反應(yīng)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g），計(jì)算1mol二氧化碳反應(yīng)放出的熱量，進(jìn)而書寫熱化學(xué)方程式；
（3）在合成塔中發(fā)生的是放熱反應(yīng)，高溫不利于甲醇的生成，較低溫時(shí)反應(yīng)速率過(guò)慢，合成塔中維持300℃的較高溫度，可以提高反應(yīng)速率，催化劑在此溫度下活性最大；
若要提高甲醇的產(chǎn)率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析解答；
（4）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（5）計(jì)算各物質(zhì)的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}$計(jì)算．

解答 解：（1）二氧化碳通入飽和碳酸鉀溶液的吸收池中反應(yīng)生成碳酸氫鉀，反應(yīng)的方程式為：K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃，故答案為：K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
（2）反應(yīng)的方程式為CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g），n（CO₂）=$\frac{440g}{44g/mol}$=10mol，完全轉(zhuǎn)化為甲醇出495 kJ的熱量，則生成1 mol CH₃OH放出熱量49.5 kJ的熱量，所以熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃），
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH （g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1 （2×10⁵Pa、300℃）；
（3）在合成塔中發(fā)生的是放熱反應(yīng)，高溫不利于甲醇的生成，較低溫時(shí)反應(yīng)速率過(guò)慢，生產(chǎn)效率低，合成塔中維持300℃的較高溫度的原因提高反應(yīng)速率，催化劑在此溫度下活性最大，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，氣體體積減小的反應(yīng)，依據(jù)平衡移動(dòng)原理可知反應(yīng)正向進(jìn)行提高甲醇的產(chǎn)率，應(yīng)采取降溫、加壓，或?qū)⒓状紡幕旌象w系中分離出來(lái)的措施，
故答案為：該溫度下催化劑的活性最高，較低溫時(shí)反應(yīng)速率過(guò)慢，生產(chǎn)效率低；降溫、加壓或?qū)⒓状紡幕旌象w系中分離出來(lái)；
（4）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
（5）CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）
起始物質(zhì)的量濃度（mol•L^-1）：1.0    1.0     0       0
轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量濃度（mol•L^-1）：0.56   0.56    0.56    0.56
平衡物質(zhì)的量濃度（mol•L^-1）：0.44   0.44    0.56    0.56
平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}$=$\frac{0.56×0.56}{0.44×0.44}$≈1.6，
答：986℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)為1.6．

點(diǎn)評(píng) 本題甲醇合成為載體，考查熱化學(xué)方程式書寫、對(duì)條件控制的分析評(píng)價(jià)、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡影響因素、電極反應(yīng)式書寫、平衡常數(shù)計(jì)算等，基本屬于拼合型題目，難度中等．