Question

2．甲酸是有机化工原料，也用作消毒剂和防腐剂，回答下列问题：
（l）以下为一些化学键的键能数据

化学键	H-H	C=O	C-O	O-H	C-H
键能（kJ/mol）	436	728	326	464	414

合成甲酸的方法之一为CO₂（g）+H₂（g）?HCOOH（l）△H，则△H-40kJ/mol．
（2）甲酸甲酯水解制甲酸也是常见方法，而工业上可用甲醇催化脱氢制甲酸甲酯：
2CH₃OH（g）?HCOOCH₃（g）+2H₂（g）△H．已知：气体分压（P分）=气体总压（P总）×气体的物质的量分数，用平衡分压代替平衡浓度可以得到平衡常数K_p，如图为上述反应的平衡常数K_p与温度的关系图．

①△H＞0 （填“＞”或“＜”）．
②在310℃下，将2mol 甲醇置于压强为P₀的恒压密闭容器中，20分钟后到达平衡，平衡时甲醇和氢气的分压相等．计算：从开始到平衡时甲醇的平均反应速率0.05mol•min^-l，P₀5×10⁴P_a．
③若要进一步提高甲醇转化率，除了可以适当改变反应温度和分离出甲酸甲酯外，还可以采取的措施有分离氢气、降低压强．
（3）已知常温下甲酸的电离常数K=1.8×10^-4，则pH=2甲酸的浓度约为0.56mol/L．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律计算，焓变△H=反应物总键能-生成物总键能；
（2）①升高温度，化学平衡常数增大，表明升高温度有利于正反应的进行；
②根据反应方程式，已知反应达平衡时，甲醇和氢气的分压相等，根据化学反应速率平均速率公式$\frac{△n}{△t}$计算，结合分压平衡常数的定义计算；
③提高甲醇转化率，除了从改变温度，分离出甲酸甲酯考虑，还可以考虑改变另一种反应物浓度，改变压强；
（3）根据甲酸的电离平衡常数计算．

解答 解：（1）根据盖斯定律计算，焓变△H=反应物总键能-生成物总键能，则△H=2E（C=O）+E（H-H）-E（C=O）-E（C-H）-E（C-O）-E（O-H）=-40kJ/mol，
故答案为：-40kJ/mol；
（2）①升高温度，化学平衡常数增大，表明升高温度有利于正反应的进行，因此正反应为吸热反应，该反应焓变△H＞0，
故答案为；＞；
②已知反应达平衡时，甲醇和氢气的分压相等，反应为：2CH₃OH（g）?HCOOCH₃（g）+2H₂（g），设反应生成了xmolHCOOCH₃，则平衡时，n（CH₃OH）=（2-2x）mol，n（H₂）=2xmol，甲醇和氢气的分压相等，则二者物质的量也相等，可得x=0.5mol，反应过程中，甲醇转化的物质的量为△n=1mol，则从开始到平衡时甲醇的平均反应速率$\frac{△n}{△t}$=$\frac{1mol}{20min}$=0.05mol/min，
根据分压平衡常数的定义，310℃时的分压平衡常数为K_p=$\frac{{p}^{2}（{H}_{2}）×p（HCOOC{H}_{3}）}{{p}^{2}（C{H}_{3}OH）}$=p（HCOOCH₃）=${p}_{0}×\frac{0.5}{2+0.5}$=100，可得p₀=500，即p₀=5×10⁴Pa，
故答案为：0.05；5×10⁴；
③提高甲醇转化率，除了从改变温度，分离出甲酸甲酯考虑，还可以考虑改变另一种反应物浓度，改变压强，增大其中一种反应物的浓度可使另一反应物的转化率升高，故可以考虑分离氢气，降低压强，
故答案为：分离氢气；降低压强；
（3）已知常温下甲酸的电离常数K=1.8×10^-4，pH=2的甲酸，平衡时溶液中c（H⁺）=c（HCOO^-）=10^-2mol/L，则电离平衡常数K=$\frac{c（{H}^{+}）c（HCO{O}^{-}）}{c（HCOOH）}$=$\frac{1{0}^{-2}×1{0}^{-2}}{c（HCOOH）}$，可得c（HCOOH）=0.56mol/L，
故答案为：0.56．

点评 本题主要考查化学原理部分知识，包含盖斯定律的应用，化学平衡的移动，分压平衡常数的计算，弱电解质的电离平衡，考查综合知识，均为常见题型，题目难度不大．