Question

8．碳及其化合物在科技、社會生產、生活中有著廣泛的應用．請按要求回答下列問題：
（1）已知：
2CH₄（g）+3O₂（g）═2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
請寫出CH₄燃燒熱的熱化學方程式：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ/mol．
（2）在不同溫度下反應CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的平衡常數(shù)K如表：

溫度/℃	600	750	900	1100	1250
平衡常數(shù)K	2.5	1.6	1	0.9	0.6

①該反應的△H＜0．（填“＞”、“=”或“＜”）．
②900℃時發(fā)生上述反應，CO₂的轉化率隨時間變化如圖所示，若到達平衡后加壓，則H₂的轉化率將（填“增大”、“減小”或“不變”，下同）不變，正反應速率將增大．其他條件相同時，請在圖中畫出750℃時CO₂的轉化率隨時間變化的示意圖．
③在900℃時發(fā)生上述反應，以下表中的物質的量投入恒容反應器，其中向正方向移動的組是（填編號）AD，平衡后與C中各物質的百分含量相等的組有BD（填編號）

	A	B	C	D	E
n（CO2）	3	1	0	1	1
n（H2）	2	1	0	1	2
n（CO）	1	2	3	0.5	3
n（H2O）	5	2	3	0.5	1

（3）以二甲醚（CH₃OCH₃）、空氣、KOH溶液為原料可設計為燃料電池
①放電時，負極電極反應式：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．
②假設該燃料電池中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時參與反應的氧氣在標準狀況下的體積為6.72L，放電過程中沒有氣體逸出，則放電完畢后，所得溶液中各離子濃度由大到小的關系為c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算，①+②得到，2CH₄（g）+4O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H；
（2）①依據(jù)圖中平衡常數(shù)隨溫度變化關系判斷反應的熱效應；
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）反應前后氣體體積不變，改變壓強平衡不移動，壓強增大，容器體積減小，物質濃度增大，反應速率增大；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＜0，降低溫度反應速率減慢，達到平衡用的時間變長，平衡正向移動，二氧化碳轉化率提高，據(jù)此作圖；
③依據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知900℃，平衡常數(shù)為：1，即c（CO₂）•c（H₂）=c（CO）•c（H₂O），要使反應向正向進行則滿足c（CO₂）•c（H₂）＞c（CO）•c（H₂O），根據(jù)乘積的比值判斷反應方向；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）前后氣體體積不變，恒溫恒容建立等比等效，投料比與C相同時，
平衡后與C中各物質的百分含量相等；
（3）①先寫出燃料電池的總反應式，再寫出正極的電極反應式，做差得負極電極反應式；
②計算氧氣的物質的量，進而計算生成二氧化碳的物質的量，根據(jù)n（KOH）與n（CO₂）比例關系判斷反應產物，進而計算溶液中電解質物質的量，結合鹽類水解與電離等判斷．

解答 解：（1）：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算，①+②得到，2CH₄（g）+4O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1780.6KJ/mol；
熱化學方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ•mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol；
（2）①化學平衡體系中升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，依據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，溫度升高，平衡常數(shù)減小，可知正向為放熱反應，逆向為吸熱反應，所以該反應的△H＜0，故答案為：＜；
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）反應前后氣體體積不變，改變壓強平衡不移動，壓強增大，容器體積減小，物質濃度增大，反應速率增大；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＜0，降低溫度反應速率減慢，達到平衡用的時間變長平衡正向移動，二氧化碳轉化率提高，轉化率隨時間變化的示意圖為：
；
故答案為：不變；增大；；

③依據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知900℃，平衡常數(shù)為：1，即c（CO₂）•c（H₂）=c（CO）•c（H₂O），要使反應向正向進行則滿足c（CO₂）•c（H₂）＞c（CO）•c（H₂O），
A.3×2＞1×5反應向著正向移動，故A正確；
B.1×1＜2×2，反應向逆向進行，故B錯誤；
C.0×0＜3×3，反應向逆向進行，故C錯誤；
D.1×1＞0.5×0.5，反應向正向進行，故D正確；
E.1×2＜3×1，反應向逆向進行，故E錯誤；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）前后氣體體積不變，恒溫恒容建立等比等效，投料比與C相同時，
平衡后與C中各物質的百分含量相等，將各組物質轉化為初始為二氧化碳和氫氣投料，
C．n（CO₂）：n（H₂）為：3：3=1：1；
A．n（CO₂）：n（H₂）為：4：3與C組不相等，故A錯誤；
B．n（CO₂）：n（H₂）為：3：3與C組不相等，故B正確；
D．n（CO₂）：n（H₂）為：1.5：1.5與C組相等，故D正確；
E．n（CO₂）：n（H₂）為：2：3與C組不相等，故E錯誤；
故答案為；AD；BD；
（3）二甲醚、空氣、KOH溶液為原料總電池反應方程式為：CH₃OCH₃+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+5H₂O ①
正極電極反應式為：3O₂+6H₂O+2e^-=12e^- ②
①-②得：CH₃OCH₃-12e^-+16OH ^-=2CO₃^2-+11H₂O；
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
②參與反應的氧氣在標準狀況下體積為8960mL，物質的量為$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，根據(jù)電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為$\frac{0.3mol×4}{8}$=0.15mol；
；n（KOH）=0.1L×3.0mol•L^-1=0.3mol，n（KOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.15mol=2：1，
發(fā)生反應2KOH+CO₂=K₂CO₃+H₂O，二者恰好反應生成碳酸鉀，在K₂CO₃溶液中K₂CO₃═2K⁺+CO₃^2-，CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，CO₃^2-水解使溶液呈堿性，有c（OH^-）＞c（H⁺）；由于CO₃^-少部分水解，有c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-），H CO₃^-又發(fā)生第二步水解，有c（OH^-）＞c（HCO₃^-），第二步水解較第一步水解弱的多，那么c（OH^-）、c（H CO₃^-）相差不大，但c（H⁺）比c（OH^-）小的多，因此c（OH^-）＞c（HCO₃^-），溶液中離子濃度大小為：c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

點評 本題為綜合題，為高考常見題型，題目涉及熱化學方程式的書寫，化學平衡常數(shù)的應用，等效平衡的判斷，電池反應式的書寫，離子濃度大小比較，側重于學生的分析能力和計算能努力的考查，明確蓋斯定律計算反應熱方法、化學平衡常數(shù)的應用、原電池工作原理、鹽類水解規(guī)律是解題關鍵，題目難度較大．