Question

5．天然气、可燃冰的主要成分都是甲烷，甲烷既是一种清洁能源，又是一种重要的化工原料．
（1）以甲烷为主要原料可以生成合成气（CO和H₂），主要反应如下：有研究认为甲烷部分氧化的机理为：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
则反应CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ/mol．
（2）CH₄也可以和H₂O（g）在催化剂表面反应生成合成气：CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g），该反应在不同温度下的化学平衡常数K如下表：

温度（℃）	800	1000	1200	1400
平衡常数（K）	0.45	1.92	276.5	1771.5

（1）该反应△H＞0（选填“＞”或“＜”）；
（2）已知800℃时，向1L密闭容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，则平衡时向正向移动（选填“正向移动”、“逆向移动”或“不移动”．
（3）工业上利用合成气在恒容、催化剂和加热的条件下可以生产甲醇，其热化学方程式为：2H₂（g）+CO（g）═CH₃OH（g）△H=-90.8kJ/mol．
①以下各项能说明该反应达到平衡状态的是AB．
A、混合气体的平均式量保持不变　　　　　　　　
B、混合气体的压强不变
C、混合气体的密度保持不变　　　　　　　　　　　　　　
D、2v_逆（H₂）=v_正（CH₃OH）
②在200℃、230℃和260℃三种不同温度、2L恒容密闭容器中研究合成甲醇的规律，如图是上述三种温度下不同的H₂和C0的起始组成比（起始时CO的物质的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系，则曲线Z对应的温度是260℃．由起始达到 a 点所需时间为 5min，则 H₂的反应速率 为0.1mol/（L•min）．
（4）以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃为电解质，向一极通入甲烷，另一极通入空气和CO₂，甲烷可形成燃料电池．负极的电极反应式为CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O，若该装置的电流强度为1.6A，理论上每分钟应向负极通入标准状况下的气体约为2.8mL．（已知：一个电子所带电量为1.6×10-¹⁹C）

Answer 1

分析 （1）据盖斯定律由已知的热化学方程式乘以相应的数值进行加减，来构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的数值进行加减；
（1）根据平衡移动判断反应的热量变化；
（2）根据平衡常数和浓度商的大小，来判断反应进行的方向；
（3）①反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，由此衍生的一些物理量也不变，以此判断；
②正反应放热，则升高温度CO的转化率降低；a 点CO的转化率为50%，以此计算氢气的物质的量浓度的变化，进而计算反应速率；
（4）负极发生氧化反应，电极反应式为：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O；根据Q=It和N=$\frac{Q}{e}$结合CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O计算．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
由盖斯定律可知，①+2×②-2×③得CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol，故答案为：+247.3kJ/mol；
（1）温度升高，平衡常数增大即平衡向正反应方向移动，故该反应为吸热反应，故答案为：＞；
（2）已知800℃时，向1L密闭容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，所以Qc=$\frac{0.5×0．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=0.25＜0.45=K，说明平衡正向移动，故答案为：正向移动；
（3）①A、混合气体的平均式量保持不变，说明气体的总物质的量不变，反应达到平衡，故A正确；
B、混合气体的压强不变，说明气体的总物质的量不变，反应达到平衡，故B正确；
C、混合气体的密度始终保持不变，故C错误；
D、反应达平衡状态时应有v_逆（H₂）=2v_正（CH₃OH），故D错误；
故答案为：AB；
②该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线X为200℃，由图象可知曲线Z为260℃，
a 点CO的转化率为50%，则△n（CO）=0.5mol，△n（H₂）=1mol，
H₂的反应速率为$\frac{\frac{1mol}{2L}}{5min}$=0.1mol/（L•min），
故答案为：260℃； 0.1mol/（L•min）； 
（4）负极发生氧化反应，电极反应式为：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；根据Q=It=1.6A×60s=96C，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{96C}{1.6×1{0}^{-19}C}$=6×10²⁰个，
由CH₄～～～～8e^-
22.4     8×6×10²³
   V        6×10²⁰

$\frac{22.4}{V}=\frac{8×6×1{0}^{23}}{6×1{0}^{20}}$
解之得：V=0.0028L=2.8mL，故答案为：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；2.8．

点评 本题综合性较大，涉及化学平衡常数、化学平衡影响因素以及电化学知识等，为高考常见题型，侧重于学生的分析、计算能力的考查，难度较大．