Question

【题目】氢气、碳氧化物是合成可再生能源甲醇的基础原料，具有重要的应用前景。

（1）已知H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃烧热分别为285.8 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1和890.0 kJ·mol-1。一定条件下，CO与H2合成甲烷的热化学方程式为:CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)△H

则△H=________；该反应能自发进行的原因是_____________________________________。

（2）工业上一般采用下列两种反应合成甲醇:

反应I:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)

反应II:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

①一定温度下，在体积可变的恒压密闭容器中加入4molH2和一定量的CO发生反应I，开始时容器体积为2L，CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图1。10min达到平衡，则反应I的化学平衡常数为______________(结果保留一位小数)。

②恒温恒容条件下，在密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2，下列描述能说明反应II已经达到平衡状态的是________________(填序号)。

A.容器内CO2的体积分数不再变化 B.当CO2和H2转化率的比值不再变化

C.当水分子中断裂2NA个O-H键，同时氢分子中断裂3NA个H-H键

D.容器内混合气体的平均相对分子质量达到34.5，且保持不变

（3）用KOH作电解质的CO碱性燃料电池(如图2)作电源，用惰性电极电解含CN-废水，将CN-彻底氧化为无害气体，以净化废水。该电池的负极反应式为_____________；若开始时正、负两电极区溶液质量相等，当除去1molCN-时，理论上两电极区溶液的质量差为______g。

（4）工业上通过CO与甲醇制取甲酸甲酯，热化学方程式为:CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)△H =-29kJ·mol-1 。科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如图3。实际工业生产中采用的温度是80℃，其理由是__________________________。

Answer 1

【答案】 -250.4 kJ·mol-1 该反应焓变数值较大，且小于0 0.1 C CO+4OH－-2e－═CO32－+2H2O 200 高于80℃，温度对反应速率影响较小；且反应放热，升温平衡逆向移动，转化率降低

【解析】试题分析：(1)根据盖斯定律计算CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)的△H；根据焓判据，化学反应易向放热方向进行；（2）①开始时容器体积是2L，CO浓度是1mol/L，则CO的物质的量是2mol，设反应消耗CO的物质的量为xmol，平衡后容器体积为vL，

，得 ；根据 计算平衡常数；②根据平衡标志分析；（3）用KOH作电解质的CO碱性燃料电池，通入CO的电极是负极，CO失电子发生氧化反应生成CO32－；除去1molCN-时转移电子5mol，根据电子守恒，正极需通入1.25mol氧气，负极通入2.5molCO，5molOH-从阴离子交换膜的左侧移动到右侧；（4）高于80℃，温度对反应速率影响较小；且CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)反应放热，升温平衡逆向移动，转化率降低。

解析：H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃烧热分别为285.8 kJ·mol-1、283.0 kJ·mol-1和890.0 kJ·mol-1，则①2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l)　ΔH＝－571.6 kJ·mol-1；②2CO(g)＋O2(g)＝2CO2(g)　ΔH=－566.0 kJ·mol-1；③CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = -890 kJ·mol-1，根据盖斯定律② +①-③得 CO(g)+3H2(g)==CH4(g)+H2O(1)△H=-250.4 kJ·mol-1；根据焓判据，该反应焓变数值较大，且小于0，所以该反应能自发进行。（2）①开始时容器体积是2L，CO浓度是1mol/L，则CO的物质的量是2mol，设反应消耗CO的物质的量为xmol，平衡后容器体积为vL，

，得 ； = 0.1 ；②，

容器内CO2的体积分数= ，容器内CO2的体积分数是定值，所以CO2的体积分数不再变化，不一定达到平衡状态，故A错误； CO2和H2转化率的比值=， CO2和H2转化率的比值是定值，所以CO2和H2转化率的比值不再变化，不一定平衡，故B错误；当水分子中裂2NA个O-H键，同时氢分子中断裂3NA个H-H键，说明正逆反应速率相等，一定达到平衡状态，故C正确；容器内混合气体的平均相对分子质量不可能达到34.5，故D错误。 （3）用KOH作电解质的CO碱性燃料电池，通入CO的电极是负极，CO失电子发生氧化反应生成CO32－，负极反应式是CO+4OH－-2e－═CO32－+2H2O；除去1molCN-时转移电子5mol，根据电子守恒，正极需通入1.25mol氧气，负极通入2.5molCO，5molOH-从阴离子交换膜的左侧移动到右侧；所以左侧质量减少 ，右侧质量增加 ，理论上两电极区溶液的质量差为200g。（4）高于80℃，温度对反应速率影响较小；且CO(g)+ CH3OH(g) HCOOCH3(g)反应放热，升温平衡逆向移动，转化率降低，所以工业生产中采用的温度是80℃。