Question

甲烷是工業(yè)上常用的化工原料
（1）以CH₄為原料制取H₂是工業(yè)上常用的制氫方法，熱化學方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ?mol^-l．一定溫度下，將CH₄和H₂O（g）各0.11mol充入IL恒容密閉容器中：
①若平衡時壓強與初始壓強比為21：11，則平衡時H₂的體積分數(shù)

 

．
②保持其它條件不變，只改變下列條件能使H₂的體積分數(shù)增大的是

 

．
A．使用高效催化劑    B．充入He（g），增大壓強  C．升高溫度    D．向容器中再充入1mol CO和3mol H₂
③保持上述溫度和體積不變，初始投入CH₄、H₂O（g）、CO、H₂各為0.04mol、0.04mol、X、Y，若平衡時氫氣的體積分數(shù)保持不變，則X為

 

 mol、Y為

 

mol．
在此情況下，反應起始將向_

 

（填“正”或“逆”）反應方向進行．
④已知：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ?mol^-l，寫出由CO₂和CH₄反應生成CO和H₂的熱化學方程式

 

．
（2）以甲烷和氧氣為燃料，氫氧化鉀溶液為電解質溶液構成電池．負極的電極反應式為

 

．

Answer 1

考點：化學平衡的影響因素,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學電源新型電池

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）①利用三段式法，結合容器體積不變時氣體的壓強之比等于物質的量之比求算平衡時氣體物質的量；
②依據(jù)勒夏特列原理分析平衡移動的方向解答；
③恒溫恒容下，若平衡時氫氣的體積分數(shù)保持不變，則為等效平衡；
④根據(jù)已知熱化學方程式，依據(jù)蓋斯定律解答；
（2）甲烷燃料電池中，負極是甲烷在燃燒，堿性環(huán)境中生成碳酸根．

解答： 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）
開始（mol） 0.11    0.11       0        0
轉化（mol）  x        x        x       3x
平衡（mol）0.11-x   0.11-x    x        3x
容器體積不變時氣體的壓強之比等于物質的量之比，有

0.11-x+0.11-x+x+3x

0.11+0.11

=21：11，x=0.1，
所以平衡時氫氣的體積分數(shù)為

3×0.1

0.01+0.01+0.1+0.3

×100%=71.4%，
故答案為：71.4%；
②A、催化劑不影響平衡移動，故A錯誤；
B、充入氦氣增大壓強，平衡不發(fā)生移動，故B錯誤；
C、升高溫度平衡向吸熱的正向移動，氫氣的體積分數(shù)增大，故C正確；
D、再充入1mol CO和3mol H₂容器內壓強增大，平衡向氣體體積減小的逆向移動，氫氣體積分數(shù)減小，故D錯誤；
故選C；
③恒溫恒容下，若平衡時氫氣的體積分數(shù)保持不變，則為等效平衡，反應前后氣體體積不同，所以必須完全等效，及CO和氫氣完全轉化為反應物甲烷和水各為為0.11mol，有0.04mol+X=0.04mol+

Y

3

=0.11，則X=0.07mol，Y=0.21mol；據(jù)①問知，平衡時甲烷等各物質的物質的量分別為0.01mol、0.01mol、0.1mol0.3mol，可見開始時平衡正向移動，故答案為：0.07；0.21；正；
④已知：（1）CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ?mol^-l，（2）CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ?mol^-l．
據(jù)蓋斯定律（2）×2-（1）得：CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.0 kJ?mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.0 kJ?mol^-1；
（2）甲烷熱量電池在堿性環(huán)境中生成碳酸根，并且有氫氧根離子參加反應，據(jù)C的化合價反應前-4價，反應后+4價知每mol甲烷失8mol電子，據(jù)電荷守恒和原子守恒配平后為：CH₄-8 e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄-8 e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．

點評：本題考查了利用三段式法的平衡計算、平衡移動、等效平衡的計算、蓋斯定律、電極反應式書寫，題目跨度大、難度中等．