Question

【題目】甲醇是一種可再生能源，由CO2制備甲醇的過程可能涉及的反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.58 kJmol－1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=－90.77 kJmol－1

回答下列問題：

(1)反應(yīng)Ⅱ的△H2=_________，若反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常數(shù)分別為K1、K2、K3，則K2=________(用K1、K3表示)。

(2)反應(yīng)Ⅲ自發(fā)進行條件是___________(填“較低溫度”、“較高溫度”或“任何溫度”)。

(3)在一定條件下2 L恒容密閉容器中充入3 mol H2和1.5 mol CO2，僅發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，實驗測得不同反應(yīng)溫度與體系中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，如下表所示。

溫度(℃)	500	T
CO2的平衡轉(zhuǎn)化率	60℅	40℅

①T______500℃(填“>”、“<” 、“=”)。

②溫度為500℃時，該反應(yīng)10 min時達到平衡。用H2表示該反應(yīng)的反應(yīng)速率v(H2)=______________；該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=______________L2/mol2

(4)由CO2制備甲醇還需要氫氣。工業(yè)上用電解法制取Na2FeO4，同時獲得氫氣：Fe+2H2O+2OHFeO42+3H2↑，工作原理如圖所示。電解一段時間后，c(OH)降低的區(qū)域在__________ (填“陰極室”或“陽極室”)。該室發(fā)生的電極反應(yīng)式為：___________________________。

Answer 1

【答案】+41.19 kJmol－1 K1/ K3 較低溫度 > 0.135 mol·L－1·min－1 200 陽極室 Fe - 6e－＋8OH－ = FeO42－＋4H2O

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律：Ⅱ=Ⅰ-Ⅲ，得反應(yīng)Ⅱ的△H2，反應(yīng)Ⅱ的為反應(yīng)Ⅰ和Ⅲ的差，所以反應(yīng)Ⅱ平衡常數(shù)為：K2=K1/K3；

（2）化學反應(yīng)能否自發(fā)進行，取決于焓變和熵變的綜合判據(jù)，當△G= △H -T △S0時，反應(yīng)能自發(fā)進行，據(jù)此解答；

（3）①反應(yīng)Ⅰ的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減��；

②根據(jù)υ=計算化學反應(yīng)速率，平衡常數(shù)等于平衡時生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值；

（4）該裝置為電解池，陽極電極材料是Fe，鐵在陽極失去電子，陽極的電極反應(yīng)為：Fe - 6e－＋8OH－ = FeO42－＋4H2O，陽極消耗了OH-。

（1）由題所給的反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.58 kJmol－1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H3=－90.77 kJmol－1

依據(jù)蓋斯定律可得：Ⅱ=Ⅰ-Ⅲ，H2=△H1- △H3=－49.58 kJmol－1+90.77 kJmol－1=+41.19 kJmol－1，反應(yīng)Ⅱ的為反應(yīng)Ⅰ和Ⅲ的差，所以反應(yīng)Ⅱ平衡常數(shù)為：K2=K1/K3；

本題答案為：+41.19 kJmol－1，K2=K1/K3.

（2）當△G= △H -T △S0時，反應(yīng)能夠自發(fā)進行，該反應(yīng)的△S0、△H0，當溫度較低時，反應(yīng)Ⅲ能夠自發(fā)進行；

本題答案為：較低溫度。

（3）①反應(yīng)Ⅰ的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，則溫度越低轉(zhuǎn)化率越大，即T 高于500℃；

本題答案為：>。

②CO2的變化量為1.5mol×60%=0.9mol

CO2(g)3H2(g) CH3OH(g)H2O(g)

初始量:1.5mol 3mol 0 0

變化量:0.9mol 2.7mol 0.9mol 0.9mol

平衡量:0.6mol 0.3mol 0.9mol 0.9mol

υ(H2)=(2.7mol÷2L)÷10min=0.135 mol/L-1min-1，K==200 L2/mol2

本題答案為：0.135molL-1min-1，200。

（4）該裝置為電解池，陽極電極材料是Fe，鐵在陽極失去電子，陽極的電極反應(yīng)為：Fe - 6e－＋8OH－ = FeO42－＋4H2O，由于陽極消耗了OH-，所以隨著電解的進行c(OH)會逐漸降低；

本題答案為：陽極室 、Fe - 6e－＋8OH－ = FeO42－＋4H2O。