Question

【題目】在高溫高壓下碳氧化物具有極高的化學活性，能與多種單質或化合物反應。

（1）一定條件下，CO與H2 可合成甲烷，反應方程式為:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+ H2O(g)

①一定條件下，該反應能夠自發(fā)進行的原因是_________

②已知H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8kJ/mol 283.0kJ/mol和890.0kJ/mol。

寫出CO 與H2 反應生成CH4 和CO2 的熱化學方程式：_____________。

（2）工業(yè)上一般采用下列兩種反應合成甲醇:

反應Ⅰ: CO (g) +2H2 (g) CH3OH (g)

反應Ⅱ: CO2 (g) +3H2 (g) CH3OH (g) +H2O (g)

①在以上制備甲醇的兩個反應中:反應Ⅰ優(yōu)于反應Ⅱ，原因為______________。

②一定溫度下，在體積可變的密閉容器中加入4molH2和一定量的CO發(fā)生反應Ⅰ，開始時容器體積為2L，CO 和CH3OH (g) 的濃度隨時可變化如圖。10min 達到平衡，則反應1的化學平衡常數(shù)為____________。

③恒溫恒容條件下，在密閉容器中等物質的量的通入CO2 和H2， 下列描述能說明反應Ⅱ已經(jīng)達到平衡狀態(tài)的是___。(填標號)

A.容器內CO2的體積分數(shù)不再變化

B.當CO2和H2轉化率的比值不再變化

C.單位時間CH3OH分子斷裂5NA個共價鍵，同時斷裂3NA個H-H鍵

D.容器內混合氣體的平均相對分子質量為34.5，且保持不變

（3）甲烷堿性燃料電池裝置如圖所示(開始時兩邊溶液質量相等)，用電器為惰性電極電解裝置，其原理是:通電后，將Co2+氧化成Co3+，進而徹底氧化CN-為無害氣體使廢水得以凈化。

①當除去1molCN-時，圖1兩邊質量差為__________g.

②負極電極反應式為__________.

（4）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，反應方程式為:CH3OH(g)+CO(g) HCOOCH3(g) ΔH=-29.1KJ/mol，科研人員對該反應進行了研究.部分研究結果如下:

①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業(yè)制取甲酸甲酯應選擇的壓強是_____。

②實際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，其理由是___________。

Answer 1

【答案】 該反應ΔH <0 2CO (g)+2H2(g) CH4(g)+CO2(g)ΔH=-247.6kJ/mol 反應I符合“原了經(jīng)濟性”的原則即原了利用率為100% 25/243 ABCD 140g CH4+ 10OH+-8e-=CO32-+7H2O 4.0×106Pa 高于80℃時，溫度對反應速率影響較小;且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低

【解析】本題主要考查有關化學平衡的判斷和計算。

（1）①一定條件下，反應能夠自發(fā)進行，△H–T△S＜0，該反應△S＜0，所以該反應能夠自發(fā)進行的原因是△H＜0。

②由H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8kJ/mol、283.0kJ/mol和890.0kJ/mol得2H2(g) +O2(g)2H2O(l)ΔH=-571.6kJ/mol，2CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH=-566kJ/mol，CO2(g)+2H2O(l)CH4(g)+2O2(g)ΔH=+890.0kJ/mol，將以上3個熱化學方程式相加可得CO與H2反應生成CH4和CO2的熱化學方程式：2CO(g)+2H2(g)CH4(g)+CO2(g)ΔH=-247.6kJ/mol。

（2）①在以上制備甲醇的兩個反應中，反應Ⅰ優(yōu)于反應Ⅱ，原因為反應I符合“原了經(jīng)濟性”的原則即原子利用率為100%。

②開始時，c(CO)=1.0mol/L，所以n(CO)=2mol，設容器平衡體積為VL，定溫定壓，氣體物質的量之比等于體積之比，6:(6-0.6V)=2:V，V=。

平衡時，c(CH3OH)=0.3mol/L，n(CH3OH)=0.3×mol=0.5mol，c(CO)=(2-0.5)×mol/L=0.9mol/L，c(H2)=(4-1)×mol/L=1.8mol/L，則反應1的化學平衡常數(shù)為=。

③A.容器內CO2的體積分數(shù)隨著反應進行而變化，當容器內CO2的體積分數(shù)不再變化時，反應達到平衡狀態(tài)，故A能說明反應Ⅱ已經(jīng)達到平衡狀態(tài)；B. CO2和H2的配比不等于化學計量數(shù)之比，CO2和H2轉化率的比值隨著反應進行而變化，當CO2和H2轉化率的比值不再變化，反應達到平衡狀態(tài)，故B能說明反應Ⅱ已經(jīng)達到平衡狀態(tài)；C.單位時間CH3OH分子斷裂5NA個共價鍵，有1molCH3OH參加反應，同時斷裂3NA個H-H鍵，有3molH2參加反應，正反應速率等于逆反應速率，故C能說明反應Ⅱ已經(jīng)達到平衡狀態(tài)；D.容器內混合氣體的質量守恒，物質的量隨著反應進行而變化，混合氣體的平均相對分子質量也隨之變化，當混合氣體的平均相對分子質量為34.5且保持不變時，反應達到平衡狀態(tài)，故D能說明反應Ⅱ已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。故選ABCD。

（3）①CN-被氧化為二氧化碳和氮氣，5CH4～10O2～8CN-～8CO2～4N2～40e-～40OH/span>－(移動的)，OH－由左向右移動，正極室溶液增加參加反應的氧氣的質量，減少移動的OH－的質量，負極室溶液增加參加反應的甲烷的質量和移動的OH－的質量，圖1兩邊質量差為(5×16+2×40×17-32×10)g/8=140g。

②負極電極反應式為CH4+10OH+-8e-=CO32-+7H2O。

（4）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，壓強大于4.0×106Pa時，轉化率隨壓強增大提高很小，所以工業(yè)制取甲酸甲酯應選擇的壓強是4.0×106Pa。

②實際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，其理由是高于80℃時，溫度對反應速率影響較小;且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低。