Question

14．化学平衡原理是中学化学学习的重要内容．请回答下列问题：
（1）①己知：CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol，则CO₂和H₂反应生成CH₄的热化学方程式是CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol．
②有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图1所示．电池正极的电极反应式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A 是氯化铵．
（2）甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上可用合成气制备甲醇．反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．某温度下，在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图2：
①从反应开始至平衡时，用CO表示化学反应速率为0.03mol/（L．min），该温度下的平衡常数为9.375．
②5min至10min时速率变化的原因可能是使用了催化剂或增大压强；
③15min 时对反应体系采取了一个措施，至20min时CO的物质的量为0.5mol，请在图2中画出CO的变化曲线．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）、H₂（g）的燃烧热分别为-890.3kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1，则：
Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ•mol^-1；
Ⅱ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8 kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，Ⅱ×4-Ⅰ可得：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）；
②电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵；
（2）①10min时反应到达平衡，平衡时CO为0.4mol、甲醇为0.6mol、氢气为0.8mol，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO），根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是使用了催化剂或增大压强；
③15min时改变条件后，甲醇的物质的量增大、氢气物质的量减小，改变条件平衡向正反应移动，CO的物质的量减小，至20min时氢气物质的量减小0.2mol，CO应减小0.1mol，而20min时CO的物质的量为0.5mol，CO物质的量增大0.1mol，则3min时应是加入CO，设加入的CO为xmol，则：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol．

解答 解：（1）①CH₄（g）、H₂（g）的燃烧热分别为-890.3kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1，则：
Ⅰ．CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ•mol^-1；
Ⅱ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8 kJ•mol^-1；
根据盖斯定律，Ⅱ×4-Ⅰ可得：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol，
故答案为：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
②该电池的本质反应是合成氨反应，电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，则正极反应式为N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵溶液，
故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵；
（2）①10min时反应到达平衡，平衡时CO为0.4mol、甲醇为0.6mol、氢气为0.8mol，
则v（CO）=$\frac{\frac{1mol-0.4mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L．min），平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$=9.375，
故答案为：0.03mol/（L．min）；9.375；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是使用了催化剂或增大压强，
故答案为：使用了催化剂或增大压强；
③15min时改变条件后，甲醇的物质的量增大、氢气物质的量减小，改变条件平衡向正反应移动，CO的物质的量减小，至20min时氢气物质的量减小0.2mol，CO应减小0.1mol，而20min时CO的物质的量为0.5mol，CO物质的量增大0.1mol，则3min时应是加入CO，设加入的CO为xmol，则：x+0.4-0.1=0.5，故x=0.2mol，故CO的变化曲线为：
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、热化学方程式书写、原电池等，（2）中作图为易错点，学生容易考虑CO变化趋势，而忽略定量问题，难度中等．