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^-1
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890kJ?mol^-1
则：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=    ．
（2）在密闭容器中通入物质的量浓度均为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，该电池工作过程中O₂应从    （填“c或b”）口通入，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】分析：（1）根据盖斯定律，由于已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数，进行相应的计算，据此解答；
（2）①可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，据此解答．解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），据此结合方程式判断压强对平衡移动的影响进行解答；
③由图1可知，压强为P₄、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡X点，是甲烷的转化率为80%，据此计算甲烷的浓度变化量，根据v=计算v（CH₄），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（CO）；
利用三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算该温度下的平衡常数；
（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，反应中氧气发生还原反应；
电极总反应式为 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，利用总反应式减去正极反应式可得负极电极反应式；
根据n=计算铜的物质的量，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，再根据N=nN_A计算注意电子数目．
解答：解：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890kJ?mol^-1
由盖斯定律，③-①-②得CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=-890kJ?mol^-1-（-566kJ?mol^-1）-（-484kJ?mol^-1）=+160kJ?mol^-1，
故答案为：+160kJ?mol^-1；
（1）对于CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=+160kJ?mol^-1，
①、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．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；
故答案为：ac；
②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），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P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案为：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由图1可知，压强为P₄、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡X点，是甲烷的转化率为80%，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，所以v（CO）=2v（CH₄）=2×0.16mol/（L?min）=0.032mol/（L?min），
               CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），
开始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
变化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故该温度下平衡常数k==1.64
故答案为：0.032mol/（L?min）；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：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，
铜的物质的量为=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×NAmol^-1=0.2N_A，
故答案为：c；2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺；0.2N_A．
点评：本题考查反应热的计算、影响化学平衡元素、平衡图象、原电池原理等，题目综合性较大，难度中等，（3）中负极电极反应式的书写为难点，易错点，利用总反应式减去正极反应式可得负极电极反应式．