Question

15．CH₄是一種重要的化石燃料，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著極其重要的應(yīng)用．用甲烷可以消除氮氧化物的污染，其反應(yīng)如下：
CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）．
在130℃和180℃時(shí)，分別將0.50mol CH₄和a mol NO₂充入1L的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，測得有關(guān)數(shù)據(jù)如表：

實(shí)驗(yàn)編號	溫度	時(shí)間/min 物質(zhì)的量	0	10	20	40	50
1	130℃	n（CH4）/mol	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
2	180℃	n（CH4）/mol	0.50	0.30	0.18	x	0.15

（1）130℃時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率為80%．當(dāng)溫度為180℃、反應(yīng)到40min時(shí)，該反應(yīng)是（填“是”或“否”）達(dá)到平衡，推斷的依據(jù)是溫度升高，反應(yīng)加快，對比實(shí)驗(yàn)1，高溫下比低溫下更快達(dá)到平衡狀態(tài)．
（2）由表中數(shù)據(jù)分析可知，該反應(yīng)的△H＜0（填“=”、“＞”或“＜”），130℃和180℃平衡常數(shù)的關(guān)系：K_（130℃）＞K_（180℃）（填“=”、“＞”或“＜”）．
（3）如圖1所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ?qū)崿F(xiàn)鐵棒上鍍銅．

①a電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式是CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
②電鍍結(jié)束后，裝置Ⅰ中溶液的pH減�。ㄌ睢霸龃蟆�、“減小”或“不變”）．
③若完全反應(yīng)后，裝置Ⅱ中Cu極質(zhì)量減少12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）．
（4）用甲烷制取氫氣的反應(yīng)分為兩步，其能量變化如圖2所示：
寫出甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)CH₄的轉(zhuǎn)化率=$\frac{轉(zhuǎn)化量}{起始量}$×100%進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)溫度對反應(yīng)速率的影響判斷；
（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)130℃和180℃平衡時(shí)CH₄的量進(jìn)行分析；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負(fù)極、b處電極為正極，負(fù)極上通入燃料、正極上通入氧化劑；甲烷失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水；②根據(jù)I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；③根據(jù)轉(zhuǎn)移電子相等計(jì)算消失甲烷的體積；
（4）據(jù)圖寫出熱化學(xué)方程式，再根據(jù)蓋斯定律來計(jì)算反應(yīng)的焓變，根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)律來書寫熱化學(xué)方程式．

解答 解：（1）根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知，130℃時(shí)，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)CH₄的物質(zhì)的量為0.10mol，故轉(zhuǎn)化率=$\frac{轉(zhuǎn)化量}{起始量}$×100%=$\frac{0.50-0.10}{0.50}$×100%=80%，
對比實(shí)驗(yàn)1知，40時(shí)該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度越高，反應(yīng)速率越大，反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間越短，所以40時(shí)實(shí)驗(yàn)2已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，
故答案為：80%；是；溫度升高，反應(yīng)加快，對比實(shí)驗(yàn)1，高溫下比低溫下更快達(dá)到平衡狀態(tài)；
（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)及（1）中的答案發(fā)現(xiàn)，平衡時(shí)130℃比180℃甲烷的轉(zhuǎn)化率高，說明溫度越低，平衡越像正反應(yīng)方向移動，所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
溫度越低，平衡越像正反應(yīng)方向移動，說明溫度低時(shí)平衡常數(shù)大；
故答案：＜；＞；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負(fù)極、b處電極為正極，負(fù)極上通入燃料、正極上通入氧化劑，所以a處通入的氣體是甲烷；甲烷失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根據(jù)I中電池反應(yīng)為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減小，故答案為：減��；
③串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子相等，所以消耗甲烷的體積=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol}×2}{8}$×22.4L/mol=1.12L，故答案：1.12；
（4）根據(jù)第一步反應(yīng)過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應(yīng)過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2KJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol．

點(diǎn)評 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)平衡的判斷、外界條件對反應(yīng)速率及化學(xué)平衡的影響、蓋斯定律以及原電池和電解池原理，為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，注意根據(jù)電解池中Cu、Fe電極上發(fā)生的反應(yīng)確定燃料電池中正負(fù)極及電極上通入的氣體，再結(jié)合轉(zhuǎn)移電子相等計(jì)算，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫．