Question

20．淮南是我國重要的煤炭生產基地，通過煤的氣化和液化，能使煤炭得以更廣泛的應用．
Ⅰ．工業(yè)上先將煤轉化為CO，再利用CO和水蒸氣反應制H₂時，存在以下平衡：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）向2L恒容密閉容器中充入CO和H₂O（g），800℃時測得部分數據如下表．

t/min	0	1	2	3	4
n（H2O）/mol	1.20	1.04	0.90	0.70	0.70
n（CO）/mol	0.80	0.64	0.50	0.30	0.30

則從反應開始到2min時，用H₂表示的反應速率為0.075mol••L^-1•min^-1；該溫度下反應的平衡常數K=1.2（小數點后保留1位有效數字）．
（2）相同條件下，向2L恒容密閉容器中充入1molCO、3mol H₂O（g）、2molCO₂（g）、2mo1H₂（g），此時v_正＜v_逆（填“＞”“＜”或“=”）．
Ⅱ．已知CO（g）、H₂（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱分別為283kJ•mol^-1、286kJ•mol^-1、726 kJ•mol^-1．
（3）利用CO、H₂合成液態(tài)甲醇的熱化學方程式為CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1．
（4）依據化學反應原理，分析升高溫度對制備甲醇反應的影響升高溫度使反應速率加快，平衡左移，CH₃OH產率減小．
Ⅲ．為擺脫對石油的過度依賴，科研人員將煤液化制備汽油，并設計了汽油燃料電池，電池工作原理如右圖所示：一個電極通入氧氣，另一電極通入汽油蒸氣，電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導O^2-．
（5）以己烷（C₆H₁₄）代表汽油，寫出該電池工作時的負極反應方程式C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O．
（6）已知一個電子的電量是1.602×10^-19C，用該電池電解飽和食鹽水，當電路中通過1.929×10⁵C的電量時，生成標況下氫氣的體積為22.4L．

Answer 1

分析 I．（1）化學平衡常數為平衡時，生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值；
（2）溫度不變，利用濃度商與化學平衡常數的大小，判斷平衡移動方向，得到答案；
Ⅱ．（3）根據CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式；
（4）正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動；
Ⅲ．（5）電解質能在高溫下能傳導O^2-，負極發(fā)生氧化反應，即C₆H₁₄失去電子生成CO₂，根據質量守恒和電荷守恒寫出電極反應式；
（6）一個電子的電量是1.602×10^-19C，當電路中通過1.929×10⁵ C的電量時，電子的個數=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，電子的物質的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=
2mol，根據轉移電子和氫氣的關系式計算．

解答 解：（1）從反應開始到2min時，H₂O的物質的量變化量為0.3mol，則生成0.3mol氫氣，用H₂表示的反應速率為v（H₂）=$\frac{\frac{0.3mol}{2L}}{2min}$=0.075mol••L^-1•min^-1；
反應物和生成物濃度不變時，達到平衡狀態(tài)，3min后達到平衡狀態(tài)，容器體積為2L，則c（H₂O）=0.350mol/L，c（CO）=0.150mol/L，c（H₂）=c（CO₂）=
0.600mol/L-0.350mol/L=0.250mol/L，化學平衡常數表達式為：K=$\frac{[C{O}_{2}]•[{H}_{2}]}{[CO]•[{H}_{2}O]}$═$\frac{0.250×0.250}{0.350×0.150}$=1.2，
故答案為：0.075mol••L^-1•min^-1；1.2；
（2）向2L恒容密閉容器中充入1mol CO、1mol H₂O（g）、2mol CO₂、2mol H₂，各物質濃度分別為：0.5mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1mol/L，濃度商=$\frac{1×1}{0.5×0.5}$=4＞1.2，平衡向逆反應方向移動，所以υ（正）＜υ（逆），
故答案為：＜；
Ⅱ．（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
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
由蓋斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}×$②得反應CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），該反應的反應熱△H═-283.0kJ•mol^-1+（-286kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}×$（-726.5kJ•mol^-1）=-129kJ•mol^-1，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-129kJ•mol^-1；
（4）正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，則升高溫度使反應速率加快，平衡左移，CH₃OH產率減小，
故答案為：升高溫度使反應速率加快，平衡左移，CH₃OH產率減�。�
（5）電解質能在高溫下能傳導O^2-，負極發(fā)生氧化反應，即1molC₆H₁₄失去電子生成CO₂，共失去38mole^-，電極反應為：C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O，
故答案為：C₆H₁₄-38e^-+19O^2-=6CO₂+7H₂O； 
（6）一個電子的電量是1.602×10^-19C，當電路中通過1.929×10⁵ C的電量時，電子的個數=$\frac{1.929×1{0}^{5}C}{1.602×1{0}^{-19}C}$=1.204×10²⁴，電子的物質的量=$\frac{1.204×1{0}^{24}}{6.02×1{0}^{23}mo{l}^{-1}}$=2mol，根據轉移電子和氫氣的關系式得氫氣的物質的量為1mol，則體積為22.4L，
故答案為：22.4．

點評 本題考查較為綜合，涉及影響化學平衡的計算、熱化學方程式以及電解等知識，難度較大，構建平衡建立的途徑進行比較是關鍵；探討了能源的循環(huán)利用和溫室效應的解決，著重考查了物質催化反應的過程，結合考查了化學反應速率和對圖表的理解解析能力，綜合能力要求較高．