Question

5．天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷．
（1）工业上可用煤制天然气，生产过程中有多种途径生成CH₄．
①写出CO₂与H₂反应生成CH₄和H₂O的热化学方程式CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1
已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
②科学家用氮化镓材料与铜组装如图的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO₂和H₂O合成CH₄．
写出铜电极表面的电极反应式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量硫酸（选填“盐酸”或“硫酸”）．
③另一生成CH₄的途径是CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）．某温度下，将0.1mol CO和0.3molH₂充入10L的密闭容器内发生反应CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g），平衡时H₂的转化率为80%，求此温度下该反应的平衡常数K=1.5×10⁵．（计算结果保留两位有效数字）
（2）天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS．一定条件下向NH₄HS溶液中通入
空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然气的一个重要用途是制取H₂，其原理为：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）．

在密闭容器中通入物质的量浓度均为0.1mol•L^-1的CH₄与CO₂，在一定条件下发生反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图1所示，则压强P₁小于P₂（填“大于”
或“小于”）；压强为P₂时，在Y点：v（正）大于v（逆）（填“大于”、“小于”或“等于”）．
（4）天然气也可重整生产化工原料，最近科学家们利用天然气无氧催化重整获得芳香烃X．由质谱分析得X的相对分子质量为106，其核磁共振氢谱如图2，则X的结构简式为．

Answer 1

分析 （1）①根据盖斯定律书写目标热化学方程式；
②由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷；根据酸的挥发性分析；
③计算平衡时氢气浓度变化量，利用三段式计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数表达式计算；
（2）NH₄HS中硫元素为-2价，具有还原性能被氧气氧化为硫单质；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动；
（4）已知X的相对分子质量为l06，设其分子式为C_xH_y，由$\frac{106}{12}$可知x=8，y=10，再根据质谱图中有2个峰，判断分子中含有2种环境的H．

解答 解：（1）①已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②+③-①×2得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1；
②由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷，则Cu电极上的电极反应为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；可向装置中加入少量的酸作电解质，由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，所以选用硫酸，不用盐酸；
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；硫酸；
③平衡时H₂的转化率为80%，参加反应氢气的物质的量=0.3mol×80%=0.24mol，故氢气的浓度变化量=$\frac{0.24mol}{10L}$=0.024mol/L，则：
             CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：0.01   0.03     0       0
变化（mol/L）：0.008  0.024   0.008    0.008
平衡（mol/L）：0.002  0.006   0.008    0.008
故平衡常数=$\frac{0.008×0.008}{0.002×0.00{6}^{3}}$=1.5×10⁵，
故答案为：1.5×10⁵；
（2）NH₄HS中硫元素为-2价，具有还原性能被氧气氧化为硫单质，则一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫和氨水，则反应方程式为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
故答案为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小，已知相同温度下，P₁条件下的转化率大于P₂，则P₁小于P₂；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动，所以v（正）大于v（逆）；
故答案为：小于；大于；
（4）芳香烃X，已知X的相对分子质量为l06，设其分子式为C_xH_y，由$\frac{106}{12}$可知x=8，y=10，说明分子中含有一个苯环，另外含有2个C原子，再根据质谱图中有2个峰，可知分子中含有2种环境的H，则分子结构对称，所以其结构简式为，故答案为：．

点评 本题考查了盖斯定律、原电池原理、方程式的书写、化学平衡常数、平衡移动、有机物分子式的确定等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．