Question

4．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）△H₁=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1 2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-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（填“盐酸”或“硫酸”）．

（2）天然气制取H₂的原理为：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）．在密闭容器中通入浓度均为0.125mol•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＜P₂（填“＞”或“＜”）；压强为P₂时，在Y点：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；求温度为1100℃，压强为P₂时该反应的平衡常数K=2.56 mol²•L^-2（计算结果保留三位有效数字）．
（3）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，其核磁共振氢谱如上图2，则X的结构简式为．（相对原子量：C-12  H-1）

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅲ-Ⅰ×2+Ⅱ可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）；
②由电池装置图可知，Cu电极上二氧化碳得电子生成甲烷；由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，应选用硫酸；
（2）温度一定时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小；
Y点甲烷转化率小于同温同压下平衡时转化率，故Y点向正反应进行建立平衡；
温度为1100℃，压强为P₂时甲烷的转化率为80%，则平衡时甲烷浓度变化量为0.125mol•L^-1×80%=0.1mol，计算平衡时各组分浓度，代入K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$计算平衡常数；
（3）芳香烃X的相对分子质量为l06，设其分子式为C_xH_y，由$\frac{106}{12}$=8…10，可知分子式为C₈H₁₀，分子中含有一个苯环，为苯的同系物，核磁共振氢谱中有2个峰，可知分子中含有2种环境的H，应含有2个甲基且处于对位位置．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅲ-Ⅰ×2+Ⅱ可得：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电极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；
（2）温度一定时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，故压强P₁＜P₂；
Y点甲烷转化率小于同温同压下平衡时转化率，故Y点向正反应进行建立平衡，则v（正）＞v（逆；
温度为1100℃，压强为P₂时甲烷的转化率为80%，则平衡时甲烷浓度变化量为0.125mol•L^-1×80%=0.1mol，则：
               CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）
起始浓度（mol/L）：0.125   0.125     0       0
变化浓度（mol/L）：0.1     0.1       0.2     0.2
平衡浓度（mol/L）：0.025   0.025     0.2     0.2
故平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{0．{2}^{2}×0．{2}^{2}}{0.025×0.025}$（mol．L）²=2.56 mol²•L^-2，
故答案为：＜；＞2.56 mol²•L^-2；
（3）芳香烃X的相对分子质量为l06，设其分子式为C_xH_y，由$\frac{106}{12}$=8…10，可知分子式为C₈H₁₀，分子中含有一个苯环，为苯的同系物，核磁共振氢谱中有2个峰，可知分子中含有2种环境的H，应含有2个甲基且处于对位位置，则X的结构简式为，
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡常数、化学平衡图象、盖斯定律的应用、原电池原理、有机物结构的确定等，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．