Question

甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）以天然气为原料制H₂是合成氨的一条重要的路线．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料气H₂，其反应式如下：
①CH₄（g）+1/2O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
试判断常温下，上述反应能否自发进行：

 

（填”能”或”否”）．有研究认为甲烷部分氧化的机理为：
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO2（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ?mol^-1
请结合以上条件写出CH₄和H2O（g）生成CO和H₂的热化学反应方程式：

 

（2）恒温下，向一个2L的密闭容器中充入1molN₂和2.6molH₂，反应过程中对NH₃的浓度进行检测，得到的数据如下表所示：
实验数据

时间/min	5	10	15	20	25	30
c（NH3）/（ mol?/L-1）	0.08	0.14	0.18	0.20	0.20	0.20

此条件下，该反应达到化学平衡时，氮气的浓度为

 

（3）如图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜．
①b处电极上发生的电极反应式是．

 

②电镀结束后，装置Ⅰ中溶液的pH

 

（填写“变大”、“变小”或“不变”，下同），装置Ⅱ中Cu²⁺的物质的量浓度

 

．
③若完全反应后，装置Ⅱ中阴极质量增加12.8g，则装置Ⅰ中理论上消耗甲烷

 

L （标准状况下）．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡建立的过程

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据反应能否自发进行的判据：△H-T△S＜0反应能自发进行来判断；根据盖斯定律来计算反应的焓变；
（2）根据“三行计算法”来确定反应达到化学平衡时氮气的浓度；
（3）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；
②原电池反应是碱性溶液中进行消耗氢氧根生成水，溶液PH减小；装置Ⅱ是电镀阳极电极反应可知，铜离子浓度不变；
③依据原电池和电解池中电子守恒计算消耗甲烷的体积．

解答： 解：（1）反应CH₄（g）+

1

2

O₂ （g）=CO （g）+2H₂（g）的△H₁=-35.6kJ?molˉ¹＜0．△S＞0根据反应能否自发进行的判据：△H-T△S可推知该数值一定是小于0，故反应能自发进行，能，根据反应①②③，结合盖斯定律，可知反应CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H=①×2-②×

1

2

-③×=250.3kJ?mol^-1；
故答案为：能；CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ?mol^-1；
（2）根据反应N₂ +3H₂ ?2NH₃
初始浓度：0.5    1.3     0
变化浓度：0.1    0.3     0.2
平衡浓度：0.4    1.0     0.2
所以达到平衡时氮气的浓度是0.4mol/L，故答案为：0.4mol/L；
（3）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；电极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②原电池反应是碱性溶液中进行消耗氢氧根生成水，溶液PH减小；装置Ⅱ是电镀阳极电极反应可知，阳极电极反应为：Cu-2e^-=Cu²⁺，阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，铜离子浓度不变，故答案为：变小；不变；
③装置Ⅱ中阴极电极反应为Cu²⁺+2e^-=Cu，质量增加12.8g为铜物质的量为0.2mol，转移电子为0.4mol，装置I中负极电极反应为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O理论上消耗甲烷物质的量为：0，05mol，标准状况下的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，故答案为：1.12．

点评：本题考查化学平衡的判断，化学平衡的三段式计算应用，反应自发进行的判断，原电池、电解池原理的计算应用和电极书写方法，题目难度中等．