Question

5．N、C、S元素的单质及化合物在工农业生成中有着重要的应用
Ⅰ．CO与Cl₂在催化剂的作用下合成光气（COCl₂）．某温度下，向2L的密闭容器中投入一定量的CO和Cl₂，在催化剂的作用下发生反应：CO（g）+Cl₂（g）?COCl₂（g）反应过程中测定的部分数据如表：

t/min	n（CO）/mol	n（Cl2）/mol
0	1.20	0.60
1	0.90
2	0.80
4		0.20

（1）写出光气（COCl₂）的电子式
（2）图1是T℃时，CO和Cl₂的物质的量浓度随时间（t）的变化情况．用COCl₂表示2min内的反应速率v（COCl₂）=0.1mol/（L．min）．该温度下的平衡常数K=5．
（3）在一容积可变的密闭容器中充入10molCO和20molCl₂，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图1所示．
①下列说法能判断该反应达到化学平衡的是BD（填字母序号）．
A．Cl₂的消耗速率等于COCl₂的生成速率
B．Cl₂的体积分数不变
C．Cl₂的转化率和CO的转化率相等
D．混合气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小：P（A）＜P（B）（填“＞”、“＜”或“=”）
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L．如果反应开始时仍充入10molCO和20molCl₂，则在平衡状态B时容器的体积为4L．
Ⅱ甲醇是一种重要的化工原料，查资料，甲醇的制取可用以下两种方法：
（1）可用CO和H₂制取甲醇：
已知CO、CH₃OH和H₂的燃烧分别是283kj/mol、726.83kj/mol、285.2kj/mol写出由 CO和H₂制取甲醇的热化学方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），△H=-126.57kJ/mol．
（2）用电化学法制取：某模拟植物光合作用的电化学装置如图2，该装置能将H₂O和CO₂转化为O₂和甲醇（CH₃OH）．
①该装置工作时H⁺向b区移动（填“a”或“b”）
②b极上的电极反应式为6H⁺+CO₂+6e^-=CH₃OH+H₂O．

Answer 1

分析 I．（1）结构式为：，每个氯原子还含有3个孤电子对、O原子还含有2个孤电子对；
（2）2min内参加反应的n（CO）=1.20mol-0.80mol=0.40mol，根据方程式知，生成n（COCl₂）=n（CO）（反应）=0.40mol，则v（COCl₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$；
根据表中数据知，4min时参加反应的n（Cl₂）=0.60mol-0.20mol=0.40mol，2min时参加反应的n（CO）=1.20mol-0.80mol=0.40mol，根据方程式知，参加反应的氯气和CO的物质的量相等，所以2min时该反应达到平衡状态，
该反应：CO（g）+Cl₂（g）?COCl₂（g）
开始（mol）1.20     0.60              0
反应（mol）0.40      0.40           0.40
平衡（mol）0.80      0.20           0.40
平衡时c（CO）=$\frac{0.80mol}{2L}$=0.40mol/L、c（Cl₂）=$\frac{0.20mol}{2L}$=0.10mol/L、c（COCl₂）=$\frac{0.40mol}{2L}$=0.20mol/L，
化学平衡常数K=$\frac{c（COC{l}_{2}）}{c（CO）•c（C{l}_{2}）}$；
（3）①可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量、物质的量浓度、百分含量以及由此引起的一系列物理量不变；
②相同温度下，增大压强平衡正向移动，CO转化率增大；
③A、B反应温度相等，则平衡常数相等，利用平衡常数计算；
II．（1）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1
由盖斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$×②得反应CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），焓变进行相应的改变；
（2）①电解池中阴离子向阳极移动、阳离子向阴极移动；
②b电极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成甲醇．

解答 解：I．（1）结构式为，每个氯原子还含有3个孤电子对、O原子还含有2个孤电子对，其电子式为，
故答案为：；
（2）2min内参加反应的n（CO）=1.20mol-0.80mol=0.40mol，根据方程式知，生成n（COCl₂）=n（CO）（反应）=0.40mol，则v（COCl₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{0.40mol}{2L}}{2min}$=0.1mol/（L．min）；
根据表中数据知，4min时参加反应的n（Cl₂）=0.60mol-0.20mol=0.40mol，2min时参加反应的n（CO）=1.20mol-0.80mol=0.40mol，根据方程式知，参加反应的氯气和CO的物质的量相等，所以2min时该反应达到平衡状态，
该反应CO（g）+Cl₂（g）?COCl₂（g）
开始（mol）1.20   0.60           0
反应（mol）0.40   0.40           0.40
平衡（mol）0.80   0.20           0.40
平衡时c（CO）=$\frac{0.80mol}{2L}$=0.40mol/L、c（Cl₂）=$\frac{0.20mol}{2L}$=0.10mol/L、c（COCl₂）=$\frac{0.40mol}{2L}$=0.20mol/L，
化学平衡常数K=$\frac{c（COC{l}_{2}）}{c（CO）•c（C{l}_{2}）}$=$\frac{0.20}{0.40×0.10}$=5，
故答案为：0.1mol/（L．min）；5；
（3）①A．无论反应是否达到平衡状态，都存在Cl₂的消耗速率等于COCl₂的生成速率，不能据此判断平衡状态，故错误；
B．Cl₂的体积分数不变，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故正确；
C．Cl₂的转化率和CO的转化率相等时，正逆反应速率不相等，该反应没有达到平衡状态，故错误；
D．反应前后气体物质的量减小、总质量不变，则反应前后气体平均摩尔质量增大，当混合气体的平均摩尔质量不再改变时，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故正确；
故选BD；
②相同温度下，增大压强平衡正向移动，CO转化率增大，所以P₁＜P₂，故答案为：＜；
③当达到平衡状态A时，容器的体积为10L，此时CO的转化率为50%，则
                  CO（g）+Cl₂（g）?COCl₂（g）
起始（mol/L）：0.5     1             0
转化（mol/L）：0.25   0.25         0.25
平衡（mol/L）：0.25   0.75         0.25
k=$\frac{0.25}{0.25×0.75}$=$\frac{4}{3}$，因A、B反应温度相等，则平衡常数相等，且B点时CO的转化率为80%，
则           CO（g）+Cl₂（g）?COCl₂（g）
起始（mol）：10     20            0
转化（mol）：8       8             8
平衡（mol）：2       12           8
设体积为VL，则
化学平衡常数K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×\frac{12}{V}}$=$\frac{4}{3}$，V=4
故答案为：4；
II．（1）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ•mol^-1
由盖斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$×②得反应CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），△H=（-283.0kJ•mol^-1 
）+（-286kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-126.57kJ/mol，
故答案为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），△H=-126.57kJ/mol；
（2）①电解池中阴离子向阳极移动、阳离子向阴极移动，所以氢离子向阴极b移动，故答案为：b；
②b电极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成甲醇，电极反应式为6H⁺+CO₂+6e^-=CH₃OH+H₂O，故答案为：6H⁺+CO₂+6e^-=CH₃OH+H₂O．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、电解池原理、盖斯定律、化学平衡状态判断等知识点，侧重考查学生分析、判断、计算能力，明确化学反应原理是解本题关键，难点是电极反应式的书写，要结合电解质溶液酸碱性书写，注意：化学平衡常数只与温度有关，与反应物转化率及物质浓度无关．