Question

近年来，由于温室效应和资源短缺等问题，关于CO₂和碳酸盐应用的研究受到人们的重视．某研究小组利用反应：CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）△H=-41.2kJ/mol，制备CO₂与H₂ 的混合气体，并进一步研究CO₂与H₂以不同的体积比混合时在合适条件下的反应产物应用．
（1）已知：850℃时在一体积为10L的恒容密闭容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O浓度变化如图1

下列说法正确的是

 

（填序号）
A．达到平衡时，氢气的物质的量是0.12mol
B．达到平衡时，反应体系最终会放出49.44kJ热量
C．在0-4min，混合气体的平均相对分子质量增大
D．第6min时，若升高温度，反应平衡常数会减小
E．第8min时，若充入氦气，会导致v_正（CO）＜v_逆（H₂O）
（2）850℃时，若在容积为2L的密闭容器中同时充入1.0mol CO，3.0mol H₂O，1.0mol CO₂和x mol H₂．若要使上述反应开始时向正反应方向进行，则x应满足的条件是

 

．
（3）如将H₂ 与CO₂以4：1的体积比混合，在适当的条件下可制得CH₄．已知：
CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890.3kJ/mol
H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（l）△H₂=-285.8kJ/mol则CO₂（g）与H₂（g）反应生成CH₄（g）与液态水的热化学方程式是

 

．
（4）熔融盐燃料电池（见图2）是以熔融碳酸盐为电解质，以CH₄为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极．已知负极的电极反应是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．正极的电极反应是

 

．为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定．为此电池工作时必须有部分A物质参加循环，则A物质的化学式是

 

．实验过程中，若通入了标准状况下空气448L（假设空气中O₂体积分数为20%），则熔融盐燃料电池消耗标准状况下CH₄

 

L．

Answer 1

考点：物质的量或浓度随时间的变化曲线,反应热和焓变,化学电源新型电池

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）A．由图可知，平衡时△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，利用浓度变化量之比等于化学计量数之比计算△c（H₂），再根据n=cV计算n（H₂）；
B．850℃时该反应的反应热△H≠-41.2kJ/mol；
C．随反应进行，混合气体总质量不变，总物质的量不变，平均相对分子质量不变；
D．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动；
E．恒容密闭容器中，若充入氦气，体积不变，各物质的浓度不变，速率不变；
（2）用x表示出浓度商Q_c，平衡向正反应移动，应满足浓度商Qc＜k，据此计算判断；
（3）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以合适的系数进行加减，反应热也乘以相应的系数进行相应的计算；
（4）燃料电池中，正极发生的反应一定是氧气得电子的过程；电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳；在燃料电池和电解池的串联电路中，转移的电子数目是相同的．

解答： 解：（1）A．由图可知，平衡时△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，浓度变化量之比等于化学计量数之比，故△c（H₂）=△c（CO）=0.12mol/L，故n（H₂）=0.12mol/L×10L=1.2mol，故A错误；
B．生成1.2mol氢气，通常条件下放出的热量为41.2kJ×

1.2mol

1mol

=49.44kJ，850℃时该反应的反应热△H≠-41.2kJ/mol，故B正确；
C．由图可知4min时到达平衡，随反应进行，混合气体总质量不变，总物质的量不变，平均相对分子质量不变；所以混合气体的平均相对分子质量始终不变化，故C错误；
D．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，平衡常数减小，故D正确；
E．恒容密闭容器中，若充入氦气，体积不变，各物质的浓度不变，速率不变，故E错误；
故答案为：BD．
（2）由图可知，平衡时CO的浓度为0.08mol/L，则：
              CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol/L）：0.2    0.3       0       0
变化（mol/L）：0.12   0.12     0.12    0.12
变化（mol/L）：0.08  0.18      0.12    0.12
故平衡常数k=

0.12×0.12

0.08×0.18

=1，
平衡向正反应方向移动，浓度商小于平衡常数，即Qc=

0.5× x 2

0.5×1.5

＜1，解得x＜3，
故答案为：x＜3；
（3）已知：①CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890.3kJ/mol
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（l）△H₂=-285.8kJ/mol
由盖斯定律，②×4-①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；
（4）料电池中，正极反应一定是氧气的电子的过程，该电池的电解质环境是熔融碳酸盐，所以电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；
电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳；
若通入了标准状况下空气448L（假设空气中O₂体积分数为20%），则氧气的物质的量为4mol，根据电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，所以转移电子的物质的量为16mol，根据电池的负极电极反应是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，当转移16mol电子时，消耗CH₄ 2mol，则CH₄在（标准状况）的体积V=nVm=2mol×22.4L/mol=44.8L，
故答案为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；CO₂； 44.8．

点评：本题考查化学平衡图象及有关计算、热化学方程式、原电池原理的应用及电子转移的计算等，涉及的知识点较多，侧重于考查学生对所学知识的综合应用能力，题目难度较大．