Question

16．甲烷和氨在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位．
（1）制備合成氨原料氣H₂，可用甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法，主要轉(zhuǎn)化反應(yīng)如下：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
上述反應(yīng)所得原料氣中的CO能使氨合成催化劑中毒，必須除去．工業(yè)上常采用催化劑存在下CO與水蒸氣反應(yīng)生成易除去的CO₂，同時(shí)又可制得等體積的氫氣的方法．此反應(yīng)稱為一氧化碳變換反應(yīng)，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式是CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol．
（2）工業(yè)生產(chǎn)尿素的原理是以NH₃和CO₂為原料合成尿素[CO（NH₂）₂]，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2NH₃ （g）+CO₂ （g）?CO（NH₂）₂ （l）+H₂O （l），該反應(yīng)的平衡常數(shù)和溫度關(guān)系如下：

T/℃	165	175	185	195
K	111.9	74.1	50.6	34.8

①反應(yīng)熱△H（填“＞”、“＜”或“=”）＜0．
②在一定溫度和壓強(qiáng)下，若原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比（氨碳比）$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=x，下圖是氨碳比（x）與CO₂平衡轉(zhuǎn)化率（α）的關(guān)系．求圖1中的B點(diǎn)處，NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率32%．

（3）已知甲烷燃料電池的工作原理如圖2所示．該電池工作時(shí)，a口放出的物質(zhì)為CO₂，該電池正極的電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，工作一段時(shí)間后，當(dāng)3.2g甲烷完全反應(yīng)生成CO₂時(shí)，有1.6mol 電子發(fā)生轉(zhuǎn)移．

Answer 1

分析 （1）已知：①．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
②．CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得；CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），其焓變=②的焓變-①的焓變；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，該反應(yīng)的平衡常數(shù)逐漸減小，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
②B點(diǎn)的橫坐標(biāo)為4.0，縱坐標(biāo)為64%，則$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4.0，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為64%，設(shè)起始時(shí)CO₂的物質(zhì)的量為1mol，則NH₃的物質(zhì)的量為4.0mol，CO₂的變化物質(zhì)的量為0.64mol，則：
            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）
起始量（mol）：4.0     1.0     
變化量（mol）：1.28    0.64
平衡量（mol）：2.72    0.36
轉(zhuǎn)化率=$\frac{物質(zhì)的量變化量}{起始物質(zhì)的量}$×100%；
（3）燃料電池工作時(shí)，內(nèi)電路中氫離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負(fù)極，右邊電極為正極，甲烷在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的二氧化碳?xì)怏w難溶于酸性電解質(zhì)溶液，則a口放出的物質(zhì)是二氧化碳?xì)怏w；氧氣在正極上發(fā)生還原反應(yīng)，與氫離子結(jié)合生成水；
3.2g甲烷的物質(zhì)的量為0.2mol，結(jié)合C元素化合價(jià)變化計(jì)算轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量．

解答 解：（1）已知：①．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
②．CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得；CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），其焓變=②的焓變-①的焓變=-41.2 kJ/mol，由此可得一氧化碳交換反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol，
故答案為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，該反應(yīng)的平衡常數(shù)逐漸減小，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則△H＜0，
故答案為：＜；
②B點(diǎn)的橫坐標(biāo)為4.0，縱坐標(biāo)為64%，則$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4.0，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為64%，設(shè)起始時(shí)CO₂的物質(zhì)的量為1mol，則NH₃的物質(zhì)的量為4.0mol，CO₂的變化物質(zhì)的量為0.64mol，則：
            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）
起始量（mol）：4.0    1.0
變化量（mol）：1.28   0.64
平衡量（mol）：2.72   0.36
則NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率：α（NH₃）=$\frac{1.28mol}{4mol}$×100%=32%，
故答案為：32%；
（3）燃料電池工作時(shí)，內(nèi)電路中氫離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負(fù)極，右邊電極為正極，甲烷在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的二氧化碳?xì)怏w難溶于酸性電解質(zhì)溶液，則a口放出的物質(zhì)是二氧化碳?xì)怏w；氧氣在正極上發(fā)生還原反應(yīng)，與氫離子結(jié)合生成水，正極電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
3.2g甲烷的物質(zhì)的量為$\frac{3.2g}{16g/mol}$=0.2mol，故轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量為0.2mol×8=1.6mol，
故答案為：CO₂；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；1.6．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)反應(yīng)原理，涉及蓋斯定律、熱化學(xué)方程式的書寫、溫度對平衡移動(dòng)的影響、平衡常數(shù)、平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算、原電池等，注意（3）中正極反應(yīng)式不能寫成O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，因?yàn)樗嵝噪娊赓|(zhì)溶液中不能大量存在氫氧根離子．