Question

17．碳及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用．请按要求回答下列问题：

（1）已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1
将水蒸气喷到灼热的炭上可实现炭的气化（制得CO、H₂），该反应的热化学方程式为C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=+132kJ•mol^-1．
（2）将一定量CO（g）和H₂O（g）分别通入容积为2L的恒容密闭容器中，一定条件下发生反应为CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组实验数

实验编号	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol	达到平衡所需时间/min
		H2O	CO	CO2
1	500	4	8	3.2	4
2	750	2	4	0.8	3
3	750	2	4	0.8	1

①该反应的正反应为放热（填“吸热”或“放热”）反应．
②实验1中，0～4min时段内，以v（H₂）表示的反应速率为0.4mol/（L•min）．若在此温度下H₂O（g）、CO（g）起始量分别为2mol、4mol，则此反应的平衡常数为$\frac{8}{3}$．
③实验2达到平衡时CO的转化率为20%．
④实验3与实验2相比，改变的条件是加催化剂；
请在如图1坐标中画出“实验2”与“实验3”中c（CO₂）随时间变化的曲线，并作标注实验编号．
（3）CO与H₂一定条件下反应生成甲醇（CH₃OH），甲醇是一种燃料，可利用甲醇设计一个燃料电池，用KOH溶液作电解质溶液，多孔石墨做电极，该电池的负极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
（4）一定条件下，如图2示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其它有机物），则阴极的电极反应式为．

Answer 1

分析 （1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①-$\frac{1}{2}$（②+③）得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H；
（2）①假定平衡不发生移动，实验2条件下平衡时CO₂的物质的量应为$\frac{1}{2}×3.2$mol=1.6mol，实际为0.8mol，说明温度升高，平衡逆向移动；
②v（CO₂）=$\frac{3.2mol}{2L×4min}$=0.4mol/（L•min），根据化学反应速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）表示的反应速率；化学平衡常数只与温度有关，与反应物的起始浓度无关，利用表中实验1的数据，结合三段法计算平衡时各组分的平衡浓度，带入化学平衡常数表达式计算；
③实验2中平衡时生成0.8molCO₂，同时会消耗0.8mol的CO，因此实验2达到平衡时CO的转化率为$\frac{0.8mol}{4mol}$×100%；
④实验3相比于实验2，化学平衡没有影响，只是增大了化学反应速率，因此改变的条件为加入了催化剂，实验3达到平衡所用时间为1min，而实验2所用时间为3min，CO₂的平衡浓度为0.4mol/L，结合表格数据画出c-t图；
（3）甲醇的电极为负极，甲醇失电子，甲醇燃烧生成 CO₂，CO₂在氢氧化钾溶液中以KCO₃形式存在，因此负极电极式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（4）该实验的目的是储氢，所以阴极上发生的反应为生产目标产物，阴极上苯得电子和氢离子生成环己烷．

解答 解：（1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-393kJ•mol^-1；
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，①-$\frac{1}{2}$（②+③）得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=-393kJ•mol^-1-$\frac{1}{2}$×（-566kJ•mol^-1-484kJ•mol^-1）=+132kJ•mol^-1，
故答案为：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），△H=+132kJ•mol^-1；
（2）①假定平衡不发生移动，实验2条件下平衡时CO₂的物质的量应为$\frac{1}{2}×3.2$mol=1.6mol，实际为0.8mol，说明温度升高，平衡逆向移动，则反应为放热反应，
故答案为：放热；
②v（CO₂）=$\frac{3.2mol}{2L×4min}$=0.4mol/（L•min），$\frac{v（{H}_{2}）}{v（C{O}_{2}）}$=$\frac{1}{1}$，因此v（H₂）=0.4mol/（L•min），
化学平衡常数只与温度有关，与反应物的起始浓度无关，则
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：4        8       0        0
变化（mol）：3.2     3.2     3.2      3.2
平衡（mol）：0.8     4.8     3.2      3.2
平衡（mol/L）：0.4     2.4     1.6      1.6
因此500℃时该反应的化学平衡常数K=$\frac{1.6×1.6}{0.4×2.4}$=$\frac{8}{3}$，
故答案为：0.4mol/（L•min）；$\frac{8}{3}$；
③实验2中平衡时生成0.8molCO₂，同时会消耗0.8mol的CO，因此实验2达到平衡时CO的转化率为$\frac{0.8mol}{4mol}$×100%=20%，
故答案为：20%；
④实验3相比于实验2，化学平衡没有影响，只是增大了化学反应速率，因此改变的条件为加入了催化剂，实验3达到平衡所用时间为1min，而实验2所用时间为3min，CO₂的平衡浓度为0.4mol/L，结合表格数据画出c-t图如下：，

故答案为：加催化剂；；
（3）甲醇的电极为负极，甲醇失电子，甲醇燃烧生成 CO₂，CO₂在氢氧化钾溶液中以KCO₃形式存在，因此负极电极式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（4）该实验的目的是储氢，所以阴极上发生的反应为生产目标产物，电解池阴极与电源负极相连，得出电解过程中产生的气体为O₂，阴极上苯得电子和氢离子生成环己烷，电极反应式为，
故答案为：．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学方程式的书写、化学反应速率和化学平衡、燃料电池和电解池原理，综合性强，为高考高频考点，具有很强的代表性，侧重于化学反应原理和计算能力的考查，难度较大．