Question

12．CO₂和CH₄均为温室气体，若得以综合利用，对于温室气体的整治具有重大意义．
（1）已知：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H═+247.3kJ/mol 
CH₄（g）═C（s）+2H₂ （g）△H═+75KJ/mol
反应2CO（g）?C（s）+CO₂（g）在一定条件下能自发进行的原因是该反应中△H＜0，△S＜0，在温度较低的条件下可以自发进行
（2）合成甲醇的主要反应是CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．压强为P₁时，向体积为2L的密闭容器中充人b mol CO和2b mol H₂，平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图1所示．请回答：
①该反应属于放（填“吸”或“放”）热反应；
P₁＜P₂（填“＞”、“＜”或“=”）．200℃时，该反应的平衡常数K=$\frac{4}{{b}^{2}}$（用含b的代数式表示）．
②若200℃时，上述反应经过tmin达到平衡，则该时间段内氢气的平均反应速率为$\frac{b}{2t}$mol/（L．min）．
（3）以渗透于多孔基质的惰性导电物质材料为电极，用35%～50%KOH为电解液，甲烷和空气为原料，构成碱性燃料电池，该电池负极的电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O
（4）以甲烷燃料电池做电源，用如图2所示装置，在实验室中模拟铝制品表面“钝化”处理的过程中，发现溶液逐渐变浑浊，用离子方程式表示沉淀产生的原因是Al³⁺+3HCO₃^-═Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）已知25℃时，Al（OH）₃的Ksp=8.0×10 ^-33．若使某铝盐溶液中的Al³⁺降至1.0×10^-6 mol．L^-l时，则需调节溶液的pH至5.3  （已知lg5=0.7）．

Answer 1

分析 （1）CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H═+247.3kJ/mol ①
CH₄（g）═C（s）+2H₂ （g）△H═+75kJ/mol②
将方程式②-①得2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H═（+75kJ/mol）-（+247.3kJ/mol ）=-172.3kJ/mol，
该反应的△H＜0、△S＜0，如果△H-T△S＜0就能自发进行；
（2）①相同压强下，升高温度CO转化率降低，平衡逆向移动；
该反应前后气体计量数之和减小，增大压强CO转化率增大；
200℃时，CO的转化率为0.5，所以平衡时CO、H₂、CH₃OH的浓度分别为0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，根据平衡常数的定义计算平衡常数；
②若200℃时，上述反应经过tmin达到平衡，氢气转化的溶液为6mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
（3）甲烷和空气为原料，构成碱性燃料电池，负极上甲烷失电子生成碳酸根离子，据此书写电极反应式；
（4）根据装置图，阳极上铝失电子生成铝离子，铝离子和碳酸氢根离子发生双水解反应；
（5）根据Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可计算出氢氧根离子的浓度，进而确定溶液的pH值．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根据盖斯定很，将②-①得反应2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，而该反应△S＜0，所以该反应在温度较低的条件下可以自发进行，
故答案为：该反应中△H＜0，△S＜0，在温度较低的条件下可以自发进行；
（2）①根据图可知，温度越高，CO的转化率越小，所以该反应的正反应为放热反应，根据图相同温度时P₂的CO的转化率大于P₁，而该反应为气体体积减小的反应，压强越大，CO的转化率越高，所以P₁＜P₂，200℃时，CO的转化率为0.5，所以平衡时CO、H₂、CH₃OH的浓度分别为0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，所以平衡常数K=$\frac{0.25b}{0.25b×（0.5b）^{2}}$=$\frac{4}{{b}^{2}}$，
故答案为：放；＜；$\frac{4}{{b}^{2}}$；
②若200℃时，上述反应经过tmin达到平衡，氢气转化的浓度为0.5bmol/L，所以该时间段内氢气的平均反应速率为$\frac{0.5b}{t}$ mol/（L•min）=$\frac{b}{2t}$mol/（L•min），
故答案为：$\frac{b}{2t}$mol/（L•min）；
（3）甲烷和空气为原料，构成碱性燃料电池，负极上甲烷失电子生成碳酸根离子，负极的电极反应式为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
（4）铝作阳极，阳极上电极反应式为Al=Al³⁺+3e^-；阳极上生成的铝离子和碳酸氢根离子发生双水解反应生成氢氧化铝沉淀和二氧化碳气体，所以溶液变浑浊Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案为：Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）根据Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可知，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{8.0×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}}$=2×10^-9，所以c（H⁺）=5×10^-6，pH值为6-lg5=5.3，
故答案为：5.3．

点评 本题考查了反应进行的方向、影响平衡移动的因素、反应速率的计算、原电池和电解池原理、溶液的pH值的计算等，为高频考点，明确化学平衡移动原理及各个电极上发生的电极反应是解本题关键，难点是铝离子和碳酸氢根离子发生双水解的反应，题目难度中等．