Question

17．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）已知：①CH₄（g）+2O₂ =CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ•mol^-1
          ②CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H+2.8 kJ•mol^-1
          ③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0 kJ•mol^-1
  则反应CH₄（g）+CO₂（g）?2CO+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
（2）天然气的一个重要用途是制取H₂，其原理为：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）．一定条件下，在密闭容器中，通入物质的量浓度均为0.1mol•L^-1的CH₄与CO₂，在发生反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图l所示，

①该反应的平衡常数表达式为$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）•c（C{H}_{4}）}$
②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“）．
（3）天然气中的少量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↓．
（4）工业上又常将从天然气分离出的H₂S，在高温下分解生成硫蒸气和H₂，若反应在不同温度下达到平衡时，混合气体中各组分的体积分数如图2所示，H₂S在高温下分解反应的化学方程式为2H₂S?2H₂+S₂
（5）科学家用氮化镓材料与铜组装如图3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．
①写出铜电极表面的电极反应式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．
②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”）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律分析解答；
（2）①根据化学平衡常数表达的意义书写，利用生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积得到；
②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；
（3）NH₄HS中硫元素为-2价，具有还原性能被氧气氧化为硫单质；
（4）根据题意知，该反应是可逆反应，反应物是硫化氢，根据图象知，生成物中含有S元素的物质是氢气的一半，则生成物是S₂和H₂，再结合反应条件书写方程式；（5）①由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷；
②根据酸的挥发性分析；

解答 解：（1）根据盖斯定律，：①CH₄（g）+2O₂ =CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3 kJ•mol^-1
          ②CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H+2.8 kJ•mol^-1
          ③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0 kJ•mol^-1
  则反应CH₄（g）+CO₂（g）?2CO+2H₂（g）△H=①-2③+2②=-890.3-2×（-566）+2×2.8=+247.3kJ•mol^-1，故答案为：+247.3kJ•mol^-1；
（2）①已知CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），其平衡常数表达式是K=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）•c（C{H}_{4}）}$，故答案为：K=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）•c（C{H}_{4}）}$；
②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；
（3）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↓；
（4）根据题意知，该反应是可逆反应，反应物是硫化氢，根据图象知，生成物中含有S元素的物质是氢气的一半，则生成物是S₂和H₂，所以该反应方程式为2H₂S?2H₂+S₂，故答案为：2H₂S?2H₂+S₂；
（5）①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；
故答案为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②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：硫酸．

点评 本题考查了原电池原理、方程式的书写、化学平衡常数、平衡移动等，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．