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

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
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，得到的数据如表所示：

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

2温度下此反应化学平衡平衡常数为

 

，前20min的平均速率v（H₂）为

 

．
②能提高反应中N₂的平衡转化率的是

 

．
A．增加N₂的浓度  B．增加H₂的量 C．移出部分NH₃ D．提高反应温度E．减小容器的容积 F．加入合适的催化剂

（3）如图1表示合成NH₃反应在某段时间t₀→t₆中反应速率与反应过程的曲线图，若t₁时改变的条件是升高温度，则在下列到达化学平衡的时间段中，NH₃的体积分数最小的一段时间是（填写下列序号，下同）

 

，化学平衡常数最大的一段时间是

 

．
A．t₀→t₁ B．t₂→t₃ C．t₃→t₄ D．t₅→t₆
t₄时改变的条件是

 

．
（4）如图2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电度结束后，装置I中溶液的pH

 

，装置Ⅱ中Cu²⁺的物质的量浓度

 

．（填写“变大”、“变小”或“不变”）
③若完全反应后，装置Ⅱ中阴极质量增加12.8g，则装置I中理论上消耗氧气（标准状况下）

 

L．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,用盖斯定律进行有关反应热的计算,原电池和电解池的工作原理,用化学平衡常数进行计算

专题：

分析：（1）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常数，依据图表计算氨气反应速率，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气反应速率；能提高反应中N₂的平衡转化率，改变条件使平衡正向进行分析；
（3）分析图象变化，若t₁时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t₃时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t₄时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化；
（4）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）①CH₄（g）+

1

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
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
结合盖斯定律计算，①×2-②×

1

2

-③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：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
所以达到平衡时平衡常数K=

0．22

0.4×1.0

=0.1mol/L，前20min的平均速率v（H₂）=

3

2

v（NH₃）=

3

2

×

0.2mol/L

20min

=0.015mol/L?min；
N₂ +3H₂ ?2NH₃ ，反应是气体体积减小的放热反应，平衡正向进行能提高反应中N₂的平衡转化率；
A．两种反应物中增加一种会提高另一种的转化率，本身转化率减小，增加N₂的浓度，氮气转化率减小，故A错误；  
B．增加H₂的量会提高氮气的转化率，故B正确；
C．移出部分NH₃ ，减小生成物浓度，平衡正向进行，氮气转化率增大，故C正确；
D．反应是放热反应，提高反应温度，平衡逆向进行，氮气转化率减小，故D错误；
E．减小容器的容积，增大压强，平衡正向进行，氮气转化率增大，故E正确；
 F．加入合适的催化剂改变反应速率，步步改变化学平衡，氮气转化率不变，故F错误；
故答案为：0.1mol/L；0.015mol/L?min；BCE；
（3）分析图象变化，若t₁时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t₃时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t₄时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化，依据条件改变和平衡移动方向分析，NH₃的体积分数最小的一段时间为 t₅→t₆，化学平衡常数随温度变化，不随浓度，压强变化，所以最大的一段时间t₀→t₁；上述分析可知t₄改变的条件是 减小压强；
故答案为：D；A；减小压强；
（4）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理论上消耗氧气物质的量为：0，1mol，标准状况下的体积=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，故答案为：2.24．

点评：本题考查化学平衡的计算判断，化学平衡的三段式计算应用，热化学方程式书写和盖斯定律计算应用，平衡影响因素的分析判断，原电池、电解池原理的计算应用和电极书写方法，图象分析方法是解题关键，题目难度中等．