Question

16．目前“低碳經(jīng)濟(jì)”正成為科學(xué)家研究的主要課題．請回答下列問題：
I．甲烷自熱重整是一種先進(jìn)的制氫方法，其反應(yīng)方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
（1）閱讀圖1，計(jì)算該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=+161.1kJ/mol．
Ⅱ．用CH₄或其他有機(jī)物、O₂為原料可設(shè)計(jì)燃料電池．
（2）以C_nH_2nO_n、O₂為原料，H₂SO₄溶液為電解質(zhì)設(shè)計(jì)成燃料電池，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺．
（3）以CH₄、O₂為原料，100mL 0.15mol/L NaOH溶液為電解質(zhì)設(shè)計(jì)成燃料電池，若放電時(shí)參與反應(yīng)的氧氣體積為448mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況），產(chǎn)生的氣體全部被溶液吸收，則所得溶液中溶質(zhì)的成分及物質(zhì)的量之比為n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，各離子濃度由大到小的順序?yàn)閏（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
Ⅲ．利用I₂O₅消除CO污染的反應(yīng)為：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s），
不同溫度下，向裝有足量I₂O₅固體的2L恒容密閉容器中通入4mol CO，
測得CO₂的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間t變化曲線如圖2．請回答：
（4）T₂時(shí)，0～0.5min內(nèi)的反應(yīng)速率v（CO）=1.6mol•L^-1•min^-1．
（5）T₁時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)K=1024．
（6）下列說法不正確的是B（填字母序號）．
A．容器內(nèi)氣體密度不變，表明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)
B．兩種溫度下，c點(diǎn)時(shí)體系中混合氣體的壓強(qiáng)相等
C．d點(diǎn)時(shí)，增大體系壓強(qiáng)，CO的轉(zhuǎn)化率不變
D．b點(diǎn)和d點(diǎn)時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)的大小關(guān)系：K_b＞K_d
IV．（7）電解CO制備CH₄和W，工作原理如圖3所示，其原理用電解總離子方程式解釋是4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）根據(jù)能量圖書寫各自的熱化學(xué)方程式，再通過蓋斯定律計(jì)算；
（2）燃料電池中，負(fù)極上投放燃料，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（3）計(jì)算氧氣的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算生成二氧化碳的物質(zhì)的量，根據(jù)n（NaOH）與n（CO₂）比例關(guān)系判斷反應(yīng)產(chǎn)物，進(jìn)而計(jì)算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量，結(jié)合鹽類水解與電離等判斷；
Ⅱ（4）根據(jù)起始量和a點(diǎn)時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)（即物質(zhì)量分?jǐn)?shù)），列式計(jì)算即可求出從反應(yīng)開始至a點(diǎn)時(shí)的反應(yīng)速率為v（CO）；
（5）根據(jù)b點(diǎn)時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡濃度進(jìn)而求出T₁時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)K；
（6）A．因?yàn)闂l件為恒容，而反應(yīng)前后氣體質(zhì)量變化，所以容器內(nèi)氣體密度是變量，當(dāng)不變時(shí)表明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
B．c點(diǎn)為交點(diǎn)，各氣體物質(zhì)的量分別相等；
C．反應(yīng)前后氣體體積不變，壓強(qiáng)變化對平衡無影響；
D．b點(diǎn)比d點(diǎn)時(shí)生成物CO₂體積分?jǐn)?shù)大，說明進(jìn)行的程度大，則化學(xué)平衡常數(shù)：K_b＞K_d
（7）由此電解原理可知，陽極失去電子生成二氧化碳?xì)怏w，加入碳酸鈉，碳酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈉，陰極CO得到電子生成甲烷氣體，據(jù)此解答即可；

解答 解：Ⅰ（1）由能量圖，得①CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
①-③×3+②得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H=（-846.3+241.8×3+282）kJ•moL^-1=+161.1kJ•moL^-1；故答案為：+161.1；
 （2）燃料電池中，負(fù)極上投放燃料所以投放甲烷的電極是負(fù)極，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺．
故答案為：C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺；
（3）參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為448mL，物質(zhì)的量為 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，生成二氧化碳為 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，發(fā)生發(fā)生2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所以所得溶液中溶質(zhì)的成分及物質(zhì)的量之比為n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1；溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鈉離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1；c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
Ⅱ（4）a點(diǎn)時(shí)：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
轉(zhuǎn)化量/mol    x                 x
a點(diǎn)量/mol    4-x                x
根據(jù)a點(diǎn)時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)φ（CO₂）=$\frac{x}{4}$=0.40，得x=1.6mol
則從反應(yīng)開始至a點(diǎn)時(shí)的反應(yīng)速率為v（CO）=$\frac{1.6mol}{2L×0.5min}$=1.6mol•L^-1•min^-1，故答案為：1.6mol•L^-1•min^-1；
（5）T₁時(shí)：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
轉(zhuǎn)化量/mol    y                 y
b點(diǎn)量/mol    4-y                y
根據(jù)b點(diǎn)時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1
T₁時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）{\;}^{5}}{c（CO）{\;}^{5}}$=$\frac{1.6{\;}^{5}}{0.4{\;}^{5}}$=1024，
故答案為：1024；
（6）A．因?yàn)闂l件為恒容，而反應(yīng)前后氣體質(zhì)量變化，所以容器內(nèi)氣體密度不變時(shí)，表明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．c點(diǎn)為交點(diǎn)，氣體物質(zhì)的量分別相等，所以兩種溫度下，體系中混合氣體的壓強(qiáng)不等，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)前后氣體體積不變，壓強(qiáng)變化對平衡無影響，所以增大壓強(qiáng)平衡不移動，CO的轉(zhuǎn)化率不變，故C正確；
D．b點(diǎn)比d點(diǎn)時(shí)生成物CO₂體積分?jǐn)?shù)大，說明進(jìn)行的程度大，則化學(xué)平衡常數(shù)：K_b＞K_d，故D正確；
故答案為：B；
（7）由此電解原理可知，陽極失去電子生成二氧化碳?xì)怏w，加入碳酸鈉，碳酸鈉與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸氫鈉，陰極CO得到電子生成甲烷氣體，據(jù)此離子反應(yīng)方程式為：4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑，故答案為：4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑．

點(diǎn)評 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡常數(shù)的相關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡移動原理、電離常數(shù)及離子濃度大小的比較等知識，綜合性很強(qiáng)，難度很大．