Question

研究CO₂与CH₄，反应使之转化为CO和H₂，对减缓燃料危机、减小温室效应具有重要的意义。

（1）已知：2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g）  △H＝－566kJ/mol

2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）   △H＝－484kJ/mol

CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g）  △H＝－890kJ/mol

则：CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）△H＝____________。

 (2)在密闭容器中通人物质的量浓度均为0.1mol/L的CH₄与CO₂，在一定条件下发生反应CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图1：

①下列事实能说明该反应一定达到平衡的是     。

a．CO₂的浓度不再发生变化

b．υ_正（CH₄）＝2υ_逆（CO）

c．混合气体的平均相对分子质量不发生变化

d．CO与H₂的物质的量比为1:1

②据图可知，P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的顺序为      。

③在压强为P₄、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡x点，则用CO表示该反应的速率为     ，该温度下，反应的平衡常数为      。

(3)用CO与H₂可合成甲醇(CH₃OH)，以甲醇和氧气反应制成的燃料电池如图2所示，该电池工作程中O₂应从      (填“c或一b”)口通人，电池负极反应式为                  ，若用该电池电解精炼铜，每得到6. 4g铜，转移电子数目为         。

   

 

Answer 1

【答案】

（16分）（1）＋160kJ/mol（2分） （2）①a、c（2分） ②P₄＞P₃＞P₂＞P₁（2分）

③0.032mol/(L•min)；1.64（2分）

（3）c（2分）；CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺（2分）；1.204×10²³或0.2N_A（2分）

【解析】

试题分析：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g）  △H＝－566kJ/mol、②2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）   △H＝－484kJ/mol、③CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g）  △H＝－890kJ/mol，因此根据盖斯定律可知，③－①－②即得反应CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），所以该反应的反应热△H＝－890kJ/mol＋566kJ/mol＋484kJ/mol＝＋160kJ/mol。

（1）①在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态。根据方程式CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）可知，该反应是体积增大的可逆反应，则a．平衡时反应混合物各组分的浓度不变，CO₂的浓度不再发生变化，说明到达平衡，故a正确；b．υ_正(CH₄)＝2υ_逆(CO)，则υ_正(CH₄): υ_逆(CO)＝2:1，不等于化学计量数之比，未处于平衡状态，正反应速率大于逆反应速率，平衡向正反应进行，故b错误；c．混合气的平均相对分子质量是混合气的质量和混合气的总的物质的量的比值。反应混合物的总质量不变，随反应进行，反应混合物的总的物质的量增大，平均相对分子质量减小，混合气体的平均相对分子质量不发生变化，说明到达平衡，故c正确；d．CO与H₂的化学计量数为1:1，反应数值按物质的量比为1:1进行，不能说明到达平衡，故d错误，答案选ac。

②根据图可知，温度一定时，甲烷的转化率α(P₁)＞α(P₂)＞α(P₃)＞α(P₄)。由于该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应进行，甲烷的转化率降低，故压强P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的顺序为P₄＞P₃＞P₂＞P₁。

③根据图1可知，压强为P₄、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡X点，此时甲烷的转化率为80%，因此甲烷的浓度变化量为0.1mol/L×80%＝0.08mol/L，故v(CH₄)＝＝0.016mol/(L•min)。根据速率之比等于化学计量数之比可知，v(CO)＝2v v(CH₄)＝2×0.016mol/(L•min)＝0.032mol/(L•min)。

                       CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）

起始浓度（mol/L）  0.1      0.1         0        0

转化浓度（mol/L）  0.08     0.08        0.16     0.16

平衡浓度（mol/L）  0.02     0.02        0.16     0.16

所以该温度下平衡常数K＝＝＝1.64

（3）由图2可知，氢离子由左边转移到右边，左边有气体生成，故左边发生氧化反应，右边发生还原反应，反应中氧气得到电子，发生还原反应，故氧气在c口通入，电极总反应式为 2CH₃OH＋3O₂＝2CO₂↑＋4H₂O，正极电极反应式为3O₂＋12H⁺＋12e^－＝6H₂O，总反应式减去正极反应式可得负极电极反应式为：CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺。铜的物质的量为6.4g÷64g/mol＝0.1mol，根据电子转移守恒可知，转移电子等于铜离子转化为铜获得的电子，故转移电子数目为0.1mol×2×N_Amol^－1＝0.2N_A。

考点：考查盖斯定律的应用；平衡状态的判断、外界条件对平衡状态的影响；反应速率和平衡常数的计算；电化学原理的应用以及有关计算等