Question

11．氢气是一种清洁能源，又是合成氨工业的重要原料．
（1）已知：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJ•mol^-1
甲烷和H₂O（g）反应生成H₂和CO₂的热化学方程式为CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol．
（2）工业合成氨的反应原理为N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．某温度下，把10mol N₂与28mol H₂置于容积为10L的密闭容器内，10min时反应达到平衡状态，测得氮气的平衡转化率为60%，则10min内该反应的平均速率v（H₂）=0.18mol•L^-1•min^-1，则该温度下该反应的平衡常数K=3.6．欲增大氮气的平衡转化率，可采取的措施有增加氢气的浓度或分离出氨气或降温（写一种措施即可）．
（3）如图所示装置工作时均与H₂有关．

①图1所示装置中阳极的电极反应式为MnO₄^2--e^-=MnO₄^-
②图2所示装置中，通入H₂的管口是d（选填字母代号）．
③某同学按图3所示装置进行实验，实验结束后，将玻璃管内固体物质冷却后，溶于稀硫酸，充分反应后，滴加KSCN溶液，溶液不变红，再滴入新制氯水，溶液变为红色．该同学据此得出结论：铁与水蒸气反应生成FeO和H₂．该结论不严密（填“严密”或“不严密”），你的理由是产物中含+3价铁的物质与稀硫酸反应后生成Fe³⁺，Fe³⁺可与过量的Fe反应生成Fe²⁺：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺（用离子方程式和必要的文字说明）．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol①
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol②
将方程式①×2-②即可得甲烷和H₂O（g）反应生成H₂和CO₂的热化学方程式，注意反应热 进行相应的改变．
（2）先根据氮气的转化率计算氮气的平均反应速率，再根据同一化学反应中同一时间段内各物质的反应速率之比等于计量数之比计算氢气的反应速率；先计算平衡时各物质的平衡浓度，再根据平衡常数公式计算其平衡常数．
（3）①阳极上失电子发生氧化反应．
②根据氢氧根离子的移动方向及氢气的反应判断氢气所在的电极．
③根据反应现象知，溶液中没有铁离子，原因是部分铁未被氧化，导致剩余的铁和铁离子反应生成亚铁离子．

解答 解：（1）CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol①
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol②
将方程式①×2-②得CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol；
（2）转化的氮气的物质的量=10mol×60%=6mol，则10min内的平均反应速率v（N₂）=$\frac{\frac{6mol}{10L}}{10min}$=0.06mol/L．min，同一化学反应中同一时间段内各物质的反应速率之比等于其计量数之比，所以v（H₂）=0.18mol/L．min；
反应达到平衡状态时，C（N₂）=$\frac{10（1-60%）mol}{10L}$=0.4mol/L，C（H₂）=$\frac{28mol-3×10（1-60%）mol}{10L}$mol/L，
C（NH₃）=$\frac{2×10×60%mol}{10L}$=1.2mol/L，则K=$\frac{（1.2mol/L）{\;}^{2}}{0.4mol/L×（1mol/L）{\;}^{3}}$=3.6（mol/L） ^-2；
该反应是一个反应前后气体体积减小的放热反应，增加反应物或减小生成物的浓度或降低温度都能使反应向正反应方向移动，所以增加氢气的浓度或分离出氨气或降温都能使该反应向正反应方向移动，
故答案为：0.18；3.6；增加氢气的浓度或分离出氨气或降温；
（3）①阳极上锰酸根离子失电子生成高锰酸根离子，电极反应式为：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-．
故答案为：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-；
②氢氧燃料碱性电池中，氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，图片中氢氧根离子向d电极移动，说明d电极上是氢气，
故答案为：d；
③铁和水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气，根据反应现象知，该反应中部分铁未参加反应导致剩余的铁和铁离子反应生成二价铁离子，离子方程式为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，所以说不严密，
故答案为：不严密； 产物中含+3价铁的物质与稀硫酸反应后生成Fe³⁺，Fe³⁺可与过量的Fe反应生成Fe²⁺：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．

点评 本题考查了热化学方程式的书写、化学平衡的有关计算、原电池和电解池原理等知识，难度 不大，易错点是氢氧燃料电池中电极的判断，明确溶液中离子的移动方向是解此题的关键．