Question

12．“CCS技術”是將工業(yè)和有關能源產業(yè)中所產生的CO₂進行捕捉與封存的技術，被認為是應對全球氣候變化最重要的手段之一．一種以天然氣為燃料的“燃燒前捕獲系統(tǒng)”的簡單流程如圖所示（部分物質及條件未標出）：

（1）CH₄在催化劑作用下實現第一步轉化，也叫CH₄的不完全燃燒，1gCH₄不完全燃燒反應放出2.21kJ熱量，該反應的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72kJ•mol^-1．
（2）第二步的反應為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反應過程中能量變化如圖1所示，反應物分子化學鍵斷裂時所吸收的總能量小于（填“大于”、“小于”或“等于”）生成物分子化學鍵形成時所釋放的總能量．相同溫度下，若在2L密閉容器中CO（g）和H₂O（g）的起始濃度均為0.5mol•L^-1，上述反應達到平衡時放出的熱量為32.8kJ，則平衡時CO的轉化率為80%．
（3）工業(yè)上可用上述轉化中得到的合成氣制備甲醇，其反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．現將1mol CO₂和3molH₂充入容積為2L的密閉容器中發(fā)生上述反應，（見圖2）下列說法正確的是BD．
A．若保持溫度不變，當容器中的n（CH₃OH）：n（H₂O）為1：1時，該反應已達到平衡狀態(tài)
B．若保持溫度不變，當容器內氣體壓強恒定時，該反應已達到平衡狀態(tài)
C．若其他條件不變，實驗結果如圖所示（T₁、T₂均大于300℃），平衡常數、：K（T₁）＜K（T₂）
D．若保持溫度不變，當反應已達平衡時，再向容器中充入1molCO₂和3molH₂，當達到新平衡時，n（CH₃OH）：n（H₂）的值將升高
（4）某同學按如圖3所示的裝置用甲醇燃料電池（裝置Ⅰ）進行電解的相關操作，以測定銅的相對原子質量，其中c電極為銅棒，d電極為石墨，X溶液為500mL0.4mol•L^-1硫酸銅溶液．當裝置Ⅱ中某電極上收集到標準狀況下的氣體VmL時，另一電極增重mg（m＜12.8）
①裝置Ⅰ中H⁺向a（填“a”或“b”）極移動；b極上的電極反應式為CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺．
②銅的相對原子質量的表達式為$\frac{11200m}{{V}_{1}}$（用含m和V的代數式表示）

Answer 1

分析 （1）根據流程圖可知甲烷不完全燃燒生成一氧化碳和氫氣，依據熱化學方程式的書寫方法寫出，標注物質聚集狀態(tài)和對應焓變；
（2）圖象分析可知反應是放熱反應，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=-41KJ/mol，形成化學鍵放出能量高于反應物斷裂化學鍵吸收能量，上述反應達到平衡時放出的熱量為32.8kJ，計算消耗的CO物質的量，結合轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%計算；
（3）A、無論反應是否達到平衡狀態(tài)，n（CH₃OH）：n（H₂O）為1：1；
B、當反應前后改變的物理量不變時，該反應達到平衡狀態(tài)；
C、根據“先拐先平數值大”判斷；
D、保持溫度不變，當反應已達平衡時，若向容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相當于增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動．
（4）①由裝置II中某電極上收集到標準狀況下的氣體V₁mL時，另一電極增重mg可知，d極為陽極，而c極為陰極；
②根據陽極產生氣體的體積，求出整個過程中轉移電子的物質的量，然后銅的相對原子質量．

解答 解：（1）根據流程圖可知甲烷不完全燃燒生成一氧化碳和氫氣，1gCH₄燃燒生成一氧化碳和氫氣放熱2.21kJ，16g甲烷燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水放出熱量16×2.21kJ=35.36KJ，16g甲烷為1mol，則甲烷不完全燃燒的熱化學方程式為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1；
（2）圖象分析可知反應是放熱反應，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=-41KJ/mol，形成化學鍵放出能量高于反應物斷裂化學鍵吸收能量，上述反應達到平衡時放出的熱量為32.8kJ，計算消耗的CO物質的量=$\frac{32.8KJ}{41KJ}$×1mol=0.8mol，一氧化碳轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{0.8mol}{2L×0.5mol/L}$×100%=80%；
故答案為：小于；80%；
（3）A、若保持恒溫，無論該反應是否達到平衡狀態(tài)，容器中n（CH₃OH）：n（H₂O）始終為1：1，所以不能據此判斷平衡狀態(tài)，故錯誤；
B、該反應是反應氣體體積減小的反應，若保持恒溫，當容器內氣體壓強恒定時，該反應已達平衡狀態(tài)，故正確；
C、根據“先拐先平數值大”知T₁＜T₂，升高溫度，甲醇的物質的量減小，則平衡向逆反應發(fā)現移動，所以平衡常數：K（T₁）＞K （T₂），故錯誤；
D、保持溫度不變，當反應已達平衡時，若向容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相當于增大壓強，平衡向正反應方向移動，且反應物的轉化為大于原來平衡轉化率，所以當達到新平衡時，n（CH₃OH）：n（H₂）將升高，故正確；
故選BD；
（4）①由裝置II中某電極上收集到標準狀況下的氣體V₁mL時，另一電極增重mg可知，d極為陽極，而c極為陰極，所以與d極相連的a極為正極，原電池中陽離子向正極移動，b電極為負極是燃料發(fā)生氧化反應，反應方程式為：CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案為：a；CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺；
 ②整個過程中轉移電子的物質的量為：$\frac{1{0}^{-3}×{V}_{1}}{22.4}$，所以生成銅的物質的量為：$\frac{{V}_{1}}{11200}$，所以銅的相對原子質量的表達式為$\frac{11200m}{{V}_{1}}$，故答案為：$\frac{11200m}{{V}_{1}}$．

點評 本題主要考查了化學平衡以及平衡圖象分析，化學反應熱、平衡的移動和電化學的相關知識，根據化學平衡的判斷方法等知識點來分析解答，題目綜合性強，難度中等．