Question

【題目】2017年5月18日，中國國土資源部地質調查局宣布，我國在南海進行的可燃冰試采獲得成功，成為全球第一個海域試采可燃冰成功的國家，可燃冰即天然氣水合物，甲烷含量占80%至99.9%。化工生產中用甲烷和水蒸氣反應得到以CO和H2為主的混合氣體，這種混合氣體可用于生產甲醇或合成氨，回答下列問題:

(1)對甲烷而言，有如下兩個主要反應:

①CH4(g)+1/2O2(g)=CO(g)+2H2(g) △H1 =-36kJ·mol-1

②CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H2 =+216kJ·mol-1

若不考慮熱量耗散，物料轉化率均為100%，最終爐中出來的氣體只有CO、H2，為維持熱平衡，每生產lmolCO，轉移電子的數目為__________。

(2)甲醇是一種用途廣泛的化工原料，工業上常用下列兩種反應制備甲醇:

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H1 =-90kJ·mol-1 K1

CO2(g)+3H2(g)= CH3OH(g)+H2O(l) △H2 K2

己知:CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2(g) △H3 =-41.1kJ·mol-1 K3

H2O(l)=H2O(g) △H4 =+44.0kJ·mol-1 K4

則△H2=______ K2=_______ (用含K1、K3、K4的代數式表示)

(3)在一恒溫恒容密閉容器中充入1molCO2和3molH2模擬工業合成甲醇的反應:CO2(g)十3H2(g) CH3OH(g)十H2O(g)

①下列能說明該反應已達到平衡狀態的是______________________。

A.混合氣體平均相對分子質量不變 B.混合氣體密度不變

C.容器內壓強恒定不變 D.反應速率滿足以下關系:V正(CO2)=3V逆(H2)

E.CO2、H2、CH3OH、H2O物質的量濃度之比為1:3:1:1

F.單位時間內斷裂3NAH-H鍵的同時形成2molH-O鍵

②模擬過程中測得CO2和CH3OH(g)濃度隨時間變化如圖所示，若此時容器內壓強為P，則用平衡分壓代替平衡濃度表示的化學平衡常數KP為_____________(用含P的代數式表示，數值保留兩位小數)，若此時再向容器內充入0.25molCO2和0.25molCH3OH的混合氣體，則平衡______(填“正向“逆向“不”)移動。(已知:氣體分壓=氣體總壓×體積分數)

(4)甲醇可在電解銀催化作用下制甲醛，從貴金屬陽極泥中可提取“粗銀”“粗銀”(含Ag、Cu、Au)可用電解槽電解精煉，純銀作陰極，采用AgNO3和稀HNO3的混合液作電解液，陰極的主要電極反應式為_____。陰極還有少量副反應發生，產生的氣體遇空氣迅速變為紅棕色，該副反應的電極反應式為_______。硝酸濃度不能過大，其原因是___________________________________________。

Answer 1

【答案】 6NA -93.0kJ/mol K1/K3K4 A、C 33.33/P2 正向 Ag++e-=Ag NO3-+4H++3e-=NO+2H2O 防止生成的銀被硝酸溶解

【解析】(1)為維持熱平衡，①×6+②相加可得7CH4(g) +3O2(g)+H2O(g)=7CO(g)+15H2(g) △H2 =0，反應中生成7molCO轉移電子總數為42mol，所以生產lmolCO轉移電子的數目為6NA；

(2)自上而下依次將這四個反應式分別標記為①②③④，則①-②-④即得己知反應③，故△H1-△H2-△H4 =△H3，所以△H2 =△H1-△H3-△H4= -92.9 kJ·mol-1；通過方程式的加減運算，可得平衡常數的乘除關系，所以K2= K1/K3K4；

(3) ①在恒溫恒容密閉容器中，已知平衡CO2(g)十3H2(g) CH3OH(g)十H2O(g)是全氣體反應，且氣體分子數是減小的，所以A、根據M=m/n可知，當混合氣體平均相對分子質量不變時，已達到平衡狀態，A正確；B、由ρ=m/V可知，該混合氣體的密度始終不變，故B錯誤；C、由于氣體分子數即物質的量，反應前后減小，所以當容器內壓強恒定不變時，已達平衡狀態，C正確；D、根據速率之比等于計量系數之比，但方向相反，所以當V正(CO2)=3V逆(H2)時，不能說明反應已達平衡，正確的表達式為3 V正(CO2)=V逆(H2)，則D錯誤；E、物質的量濃度保持不變，說明已達平衡，但濃度之比等于計量系數之比不能說明已達平衡，故E錯誤；F、單位時間內斷裂3NA個H-H鍵是正向速率，同時形成2molH-O鍵也是正向速率，所以不能說明已達平衡，故F錯誤。正確的答案為AC。

②由已知數據和圖象所示數據可知，容器體積為1L，可列如下關系：

所以Kp= =33.33/P2 ；若此時再向容器內充入0.25mol CO2和0.25molCH3OH的混合氣體，則Qp=<=Kp，所以平衡正向移動。

(4)金屬銀精練時，用純銀作陰極，用粗銀作陽極，根據電解液中陽離子的性質可知，Ag+先放電，所以陰極上的主要電極反應為Ag++e-=Ag；但硝酸具有強氧化性，易得電子生成NO氣體，遇空氣迅速變為紅棕色，電極反應為NO3-+4H++3e- =NO+2H2O；又硝酸能氧化銀等不活潑金屬，所以硝酸的濃度不能過大。