Question

16．（1）工業(yè)上可利用“甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法”生產(chǎn)氫氣，反應(yīng)為甲烷和水蒸氣在高溫和催化劑存在的條件下生成一氧化碳和氫氣，有關(guān)反應(yīng)的能量變化如圖1：

則該反應(yīng)的熱化學方程式CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol．
（2）已知溫度、壓強對甲烷平衡含量的影響如圖2，請回答：
①圖2中a、b、c、d四條曲線中的兩條代表壓強分別為1Mpa、2Mpa時甲烷含量曲線，其中表示1Mpa的是a．
②該反應(yīng)的平衡常數(shù)：600℃時＜700℃（填“＞”“＜”或“=”）．
③已知：在700℃，1MPa時，1mol CH₄與1mol H₂O在1L的密閉容器中反應(yīng)，6min達到平衡（如圖3），此時CH₄的轉(zhuǎn)化率為80%，該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為276.5mol²•L^-2（結(jié)果保留小數(shù)點后一位數(shù)字）．
④從圖3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡移動的方向是向逆反應(yīng)方向（填“向正反應(yīng)方向”或“向逆反應(yīng)方向”），采取的措施可能是將容器體積縮小為原來的$\frac{1}{2}$或加入等量的氫氣．
（3）以N₂、H₂為電極反應(yīng)物，以HCl-NH₄Cl為電解質(zhì)溶液制造新型燃料電池，放電過程中，溶液中銨根離子濃度逐漸增大．寫出該電池的正極反應(yīng)式：N₂+6e^-+8H⁺═2NH₄⁺．

Answer 1

分析 （1）由圖1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由蓋斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H；
（2）①由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，甲烷的平衡含量會逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強，平衡逆向移動，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲線a，2Mpa的是曲線b；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)增大；
③CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
變化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此時CH₄的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
④由圖3可知，在7min時，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，平衡均是逆向移動；
（3）該燃料電池，氫氣在負極失去電子生成氫離子，溶液中銨根離子濃度逐漸增大，說明氮氣在正極得到電子后與氫離子結(jié)合生成NH₄⁺．

解答 解：（1）由圖1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由蓋斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=-564.3kJ/mol-3×（-241.8kJ/mol）=+161.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol；
（2）①由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，甲烷的平衡含量會逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強，平衡逆向移動，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲線a，2Mpa的是曲線b，
故答案為：a；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)增大，因此該反應(yīng)的平衡常數(shù)：600℃時小于700℃，
故答案為：＜；
③CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化劑}^{高溫}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
變化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此時CH₄的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
故答案為：80%；276.5mol²•L^-2；
④由圖3可知，在7min時，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，無論是增大壓強，還是增大氫氣的濃度，平衡均是逆向移動，
故答案為：向逆反應(yīng)方向；將容器體積縮小為原來的$\frac{1}{2}$或加入等量的氫氣；
（3）該燃料電池，氫氣在負極失去電子生成氫離子，溶液中銨根離子濃度逐漸增大，說明氮氣在正極得到電子后與氫離子結(jié)合生成NH₄⁺，則正極反應(yīng)式為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，
故答案為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

點評 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學平衡影響因素和化學平衡常數(shù)以及轉(zhuǎn)化率的計算、燃料電池的電極反應(yīng)式的書寫，綜合性較強，為歷年高考高頻考點，側(cè)重于化學反應(yīng)原理和圖象分析能力的培養(yǎng)，題目難度中等．