Question

16．甲烷既是一种清洁燃料，又是一种重要的化工原料．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol．
写出CH₄与CO₂反应生成CO和2molH₂的热化学方程式CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol．
（2）将2molCH₄（g）和2molH₂O（g）充入某密闭容器中发生反应CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），测得CH₄的平衡转化率（a）随温度（T）和压强（P）变化的曲线如图所示：

①反应CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）；
②图中A、B、C三点的正反应速率[v（A）、v（B）、v（C）]由大到小顺序为v（C）＞v（B）＞v（A），理由是因为A、B两点对应温度相同，B、C两点对应的压强相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），温度越高，压强越大，反应速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③若A点时，测得容器的体积为1L，则T₁℃时B点的平衡常数K（B）=27；
④比较图中A、C两点平衡常数[K（A）、K（C）]的大小；K（A）＜K（C），（填“＜”、“＞”或“=”），理由是因C点的温度比A点温度高，且该反应的△H＞0，则温度越高平衡常数越大，故有K（A）＜K（C）．
（3）有人设计用甲烷碱性燃料电池电解饱和食盐水，当阴极产生8.96L气体（标准状况，下同）时，理论上消耗甲烷的体积为2.24L．

Answer 1

分析 （1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol  ①；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol   ②；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol  ③；
根据盖斯定律：①+2×②-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）据此计算；
（2）①由图象可知升高温度，甲烷的转化率增大；
②根据温度压强对反应速率的影响分析；
③A、B两点温度相同，则平衡常数相同，A点时甲烷的转化率已知，利用三段式求出平衡时各物质的浓度，在求出平衡常数；
④该反应为吸热反应，温度越高，K越小；
（3）电解饱和食盐水时阴极生成氢气，根据得失电子守恒，燃料电池中甲烷失去的电子数等于生成氢气得到的电子数．

解答 解：（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol ①；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol ②；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol ③；
根据盖斯定律：①+2×②-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-802.6kJ/mol+2×（-41.0kJ/mol）-2×（-566.0kJ/mol）=+247.4kJ/mol；
故答案为：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol；
（2）①由图象可知升高温度，甲烷的转化率增大，则升高温度平衡正向移动，所以正方向为吸热反应，即△H＞0；
故答案为：＞；
②该反应为体积增大的反应，压强越大，甲烷的转化率越小，相同温度T₁时，P₁对应的转化率大，则压强P₁＜P₂，所以C点对应的温度和压强均高，所以C的速率增大，A、B两点对应的温度相同，B点的压强高，则v（B）＞v（A），所以v（C）＞v（B）＞v（A）；
故答案为：v（C）＞v（B）＞v（A）；因为A、B两点对应温度相同，B、C两点对应的压强相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），温度越高，压强越大，反应速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③A、B两点温度相同，则A、B两点的平衡常数相同，A点时甲烷的转化率为0.5，
              CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g），
开始（mol/L）：2       2               0        0
变化（mol/L）：1       1               1        3
平衡（mol/L）：1       1               1        3
则平衡常数k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{1×{3}^{3}}{1×1}$=27；
故答案为：27；
④该反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，则平衡常数K会增大，已知C点的温度比A点温度高，所以K（A）＜K（C）；
故答案为：＜；因C点的温度比A点温度高，且该反应的△H＞0，则温度越高平衡常数越大，故有K（A）＜K（C）；
（3）甲烷碱性燃料电池电解饱和食盐水，当阴极产生8.96L气体（标准状况，下同）时，电解饱和食盐水时阴极生成氢气，即生成氢气为$\frac{8.96L}{22.4L/mol}$=0.4mol，由失电子守恒，燃料电池中甲烷失去的电子数等于生成氢气得到的电子数，
设消耗的甲烷为nmol，则8×n=0.4mol×2，则n=0.1mol，所以V（CH₄）=nVm=0.1mol×22.4L/mol=2.24L；
故答案为：2.24．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、化学平衡常数的计算、化学平衡的影响因素及化学平衡图象等，题目综合性较大，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力和计算能力，难度中等，注意控制变量法与定一议二原则应用．