Question

【題目】對甲烷和CO2的高效利用不僅能緩解大氣變暖，而且對日益枯竭的石油資源也有一定的補(bǔ)充作用，甲烷臨氧耦合CO2重整反應(yīng)有：

反應(yīng)（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g) △H=－71.4kJmol-1

反應(yīng)（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0kJmol-1

（1）寫出表示CO燃燒熱的熱化學(xué)方程式：_____。

（2）在兩個(gè)體積均為2L的恒容密閉容器中，起始時(shí)按表中相應(yīng)的量加入物質(zhì)，在相同溫度下進(jìn)行反應(yīng)（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)（不發(fā)生其它反應(yīng)），CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如下表所示：

	起始物質(zhì)的量(n)/mol				CO2的平衡轉(zhuǎn)化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50%
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)是_____。

A.v正(CH4)=2v逆(CO)

B.容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不再變化

D.容器內(nèi)混合氣體密度保持不變

②若容器Ⅰ內(nèi)反應(yīng)從開始到平衡所用的時(shí)間為tmin，則tmin內(nèi)該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為：v(H2)=____（用含t的表達(dá)式表示）。

③達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅰ、Ⅱ內(nèi)CO的物質(zhì)的量的關(guān)系滿足：2n(CO)Ⅰ___n(CO)Ⅱ（填“＞”、“＝”或“＜”）。

（3）將CH4(g)和O2(g)以物質(zhì)的量比為4：3充入盛有催化劑的恒容密閉容器內(nèi)，發(fā)生上述反應(yīng)（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)CO的體積分?jǐn)?shù)[ψ(CO)]與溫度（T）的關(guān)系如圖如示。

①T2℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)最大的原因是____。

②若T2℃時(shí)，容器內(nèi)起始壓強(qiáng)為P0，平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為20%，則反應(yīng)的平衡常數(shù)KP=___（用平衡分壓強(qiáng)代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

（4）2016年我國科研人員根據(jù)反應(yīng)Na+CO2→Na2CO3+C（未配平）研制出一種室溫“可呼吸”Na-CO2電池。放電時(shí)該電池“吸入”CO2，充電時(shí)“呼出”CO2。其放電時(shí)的工作原理如圖所示，已知吸收的全部CO2中，有轉(zhuǎn)化為Na2CO3固體沉積在多壁碳納米管（MWCNT）電極表面，寫出放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式：___。

Answer 1

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1 C mol/(Lmin) ＞ 低于T2℃時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡，相同時(shí)間內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)就越高；高于T2℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，因正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動，故溫度越高，CO的體積分?jǐn)?shù)就越�。� 4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律計(jì)算出焓變，繼而寫出熱化學(xué)方程式；

(2)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、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)。

②根據(jù)計(jì)算tmin內(nèi)v(H2)；

③將容器Ⅱ內(nèi)的物料進(jìn)行“一邊倒”，通過等效平衡思想進(jìn)行分析；

(3)①沒有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，溫度升高、反應(yīng)速率加快，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，升高溫度平衡向著逆向移動，據(jù)此分析；

②恒容密閉容器中壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，等于濃度之比，CH4(g)和O2(g)的物質(zhì)的量之比為4：3，可先假設(shè)CH4物質(zhì)的量為4x，O2為3x，平衡時(shí)生成CO的物質(zhì)的量為ymol，利用三段式求解；

(4)放電時(shí)正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)。

(1)反應(yīng)(i)：2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)△H=-71.4kJmol-1
反應(yīng)(ii)：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)△H=+247.0kJmol-1
根據(jù)蓋斯定律[反應(yīng)(i)-反應(yīng)(ii)]可得CO(g)+O2(g)=CO2(g)的△H=[-71.4kJmol-1-(+247.0kJmol-1)×2]=-282.7kJmol-1，即CO燃燒熱的熱化學(xué)方程式為CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1，
故答案為：CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1；

(2)在容器Ⅰ(體積為2L)中反應(yīng)三段式為：

①A.反應(yīng)平衡時(shí)v正(CH4)=v逆(CH4) ，2v逆(CH4)=v逆(CO)，所以平衡時(shí)2v正(CH4)=v逆(CO)，故A錯(cuò)誤；

B. 由反應(yīng)三段式計(jì)算該溫度下的平衡常數(shù)K= ，而c(CH4)c(CO2)=c2(CO)c2(H2)的狀態(tài)有：濃度熵Qc=1＞K，反應(yīng)逆向進(jìn)行，即不是平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)是氣體體積變化的反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)行時(shí)氣體總物質(zhì)的量發(fā)生變化，容器中壓強(qiáng)也發(fā)生變化，所以容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不再變化的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，故C正確；
D．反應(yīng)體系中各物質(zhì)均為氣體，則混合氣體的質(zhì)量m不變，恒溫恒容條件下V不變，根據(jù)可知，容器內(nèi)密度始終不變，所以容器內(nèi)混合氣體密度保持不變的狀態(tài)不一定是平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；
故答案為：C；

②由反應(yīng)三段式可知，△c(H2)=0.05mol/L，所以tmin內(nèi)v(H2)=mol/(Lmin)，
故答案為：mol/(Lmin)；
③恒溫恒容條件下，0.1molCH4(g)、0.1molCO2(g)、0.2molCO(g)、0.2molH2(g)的反應(yīng)體系II等效于0.2molCH4(g)、0.2molCO2(g)的反應(yīng)體系，若二者達(dá)到等效平衡，則2n(CO)Ⅰ=n(CO)Ⅱ，但實(shí)際上0.2molCH4(g)、0.2molCO2(g)的反應(yīng)體系相當(dāng)2個(gè)容器I的體系合并后壓縮，則平衡逆向逆向移動、CO物質(zhì)的量減小，所以2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ，故答案為：＞；

(3)①溫度低于T2℃時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡，溫度升高、反應(yīng)速率加快，相同時(shí)間段內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，則CO的體積分?jǐn)?shù)越大；在溫度為T2℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動，CO的體積分?jǐn)?shù)減小，所以T2℃時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)最大，也可能是T0℃時(shí)催化劑的催化活性最高，反應(yīng)速率最快，故答案為：低于T2℃時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡，相同時(shí)間內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)就越高；高于T2℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，因正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動，故溫度越高，CO的體積分?jǐn)?shù)就越�。�

②CH4(g)和O2(g)的物質(zhì)的量之比為4：3，設(shè)CH4物質(zhì)的量為4x，O2為3x，平衡時(shí)生成CO的物質(zhì)的量為ymol，列三段式：

CO的平衡體積分?jǐn)?shù)為20%，則：×100%=20%，解得：y=2x，
平衡時(shí)混合氣體的總物質(zhì)的量為：7x+1.5y=10x，反應(yīng)前總物質(zhì)的量為7xmol，恒溫恒容條件下，氣體的壓強(qiáng)與物質(zhì)的量成正比，T2℃時(shí)容器內(nèi)起始壓強(qiáng)為p0，則平衡時(shí)壓強(qiáng)為： ，平衡時(shí)各氣體的分壓：平衡時(shí)p(CH4)=p(O2)=p(CO)=，p(H2)=，所以平衡常數(shù) ，故答案為：；

(4) 由原電池反應(yīng)Na+CO2→Na2CO3+C可知，“吸入”的CO2得電子生成C和Na2CO3，為正極，電極反應(yīng)式為4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)，
故答案為：4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)。