Question

5．天然氣、可燃冰的主要成分都是甲烷，甲烷既是一種清潔能源，又是一種重要的化工原料．
（1）以甲烷為主要原料可以生成合成氣（CO和H₂），主要反應(yīng)如下：有研究認(rèn)為甲烷部分氧化的機(jī)理為：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
則反應(yīng)CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ/mol．
（2）CH₄也可以和H₂O（g）在催化劑表面反應(yīng)生成合成氣：CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g），該反應(yīng)在不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)K如下表：

溫度（℃）	800	1000	1200	1400
平衡常數(shù)（K）	0.45	1.92	276.5	1771.5

（1）該反應(yīng)△H＞0（選填“＞”或“＜”）；
（2）已知800℃時(shí)，向1L密閉容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，則平衡時(shí)向正向移動(dòng)（選填“正向移動(dòng)”、“逆向移動(dòng)”或“不移動(dòng)”．
（3）工業(yè)上利用合成氣在恒容、催化劑和加熱的條件下可以生產(chǎn)甲醇，其熱化學(xué)方程式為：2H₂（g）+CO（g）═CH₃OH（g）△H=-90.8kJ/mol．
①以下各項(xiàng)能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是AB．
A、混合氣體的平均式量保持不變　　　　　　　　
B、混合氣體的壓強(qiáng)不變
C、混合氣體的密度保持不變　　　　　　　　　　　　　　
D、2v_逆（H₂）=v_正（CH₃OH）
②在200℃、230℃和260℃三種不同溫度、2L恒容密閉容器中研究合成甲醇的規(guī)律，如圖是上述三種溫度下不同的H₂和C0的起始組成比（起始時(shí)CO的物質(zhì)的量均為1mol）與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，則曲線Z對(duì)應(yīng)的溫度是260℃．由起始達(dá)到 a 點(diǎn)所需時(shí)間為 5min，則 H₂的反應(yīng)速率 為0.1mol/（L•min）．
（4）以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃為電解質(zhì)，向一極通入甲烷，另一極通入空氣和CO₂，甲烷可形成燃料電池．負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O，若該裝置的電流強(qiáng)度為1.6A，理論上每分鐘應(yīng)向負(fù)極通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體約為2.8mL．（已知：一個(gè)電子所帶電量為1.6×10-¹⁹C）

Answer 1

分析 （1）據(jù)蓋斯定律由已知的熱化學(xué)方程式乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減，來(lái)構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減；
（1）根據(jù)平衡移動(dòng)判斷反應(yīng)的熱量變化；
（2）根據(jù)平衡常數(shù)和濃度商的大小，來(lái)判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向；
（3）①反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變，以此判斷；
②正反應(yīng)放熱，則升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低；a 點(diǎn)CO的轉(zhuǎn)化率為50%，以此計(jì)算氫氣的物質(zhì)的量濃度的變化，進(jìn)而計(jì)算反應(yīng)速率；
（4）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O；根據(jù)Q=It和N=$\frac{Q}{e}$結(jié)合CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O計(jì)算．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，①+2×②-2×③得CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol，故答案為：+247.3kJ/mol；
（1）溫度升高，平衡常數(shù)增大即平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，故答案為：＞；
（2）已知800℃時(shí)，向1L密閉容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，所以Qc=$\frac{0.5×0．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=0.25＜0.45=K，說(shuō)明平衡正向移動(dòng)，故答案為：正向移動(dòng)；
（3）①A、混合氣體的平均式量保持不變，說(shuō)明氣體的總物質(zhì)的量不變，反應(yīng)達(dá)到平衡，故A正確；
B、混合氣體的壓強(qiáng)不變，說(shuō)明氣體的總物質(zhì)的量不變，反應(yīng)達(dá)到平衡，故B正確；
C、混合氣體的密度始終保持不變，故C錯(cuò)誤；
D、反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)有v_逆（H₂）=2v_正（CH₃OH），故D錯(cuò)誤；
故答案為：AB；
②該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以曲線X為200℃，由圖象可知曲線Z為260℃，
a 點(diǎn)CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則△n（CO）=0.5mol，△n（H₂）=1mol，
H₂的反應(yīng)速率為$\frac{\frac{1mol}{2L}}{5min}$=0.1mol/（L•min），
故答案為：260℃； 0.1mol/（L•min）； 
（4）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；根據(jù)Q=It=1.6A×60s=96C，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{96C}{1.6×1{0}^{-19}C}$=6×10²⁰個(gè)，
由CH₄～～～～8e^-
22.4     8×6×10²³
   V        6×10²⁰

$\frac{22.4}{V}=\frac{8×6×1{0}^{23}}{6×1{0}^{20}}$
解之得：V=0.0028L=2.8mL，故答案為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；2.8．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較大，涉及化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素以及電化學(xué)知識(shí)等，為高考常見(jiàn)題型，側(cè)重于學(xué)生的分析、計(jì)算能力的考查，難度較大．