Question

（2013?聊城一模）研究CO₂與CH₄反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為CO和H₂，對(duì)減緩燃料危機(jī)、減小溫室效應(yīng)具有重要的意義．
（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
則：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=

+160kJ?mol^-1

．
（2）在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol/L的CH₄ 與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），測(cè)得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1：
①下列事實(shí)能說(shuō)明該反應(yīng)一定達(dá)到平衡的是

ac

．
a．CO₂的濃度不再發(fā)生變化
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO）
c．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不發(fā)生變化
d．CO與H₂的物質(zhì)的量比為1：1
②據(jù)圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序?yàn)?!--BA-->

P₄＞P₃＞P₂＞P₁

．
③在壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時(shí)達(dá)到平衡X點(diǎn)，則用CO表示該反應(yīng)的速率為

0.032mol/（L?min）

，該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)為

1.64

．
（3）用CO與H₂可合成甲醇（CH₃OH），以甲醇和氧氣反應(yīng)制成的燃料電池如圖2所示，該電池工作過(guò)程中O₂應(yīng)從

c

（填“c或b”）口通入，電池負(fù)極反應(yīng)式為

2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺

，若用該電池電解精煉銅，每得到6.4g銅，轉(zhuǎn)移電子數(shù)目為

0.2N_A

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律，由于已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的系數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，據(jù)此解答；
（2）①可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，據(jù)此解答．解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說(shuō)明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
②由圖可知，溫度一定時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據(jù)此結(jié)合方程式判斷壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響進(jìn)行解答；
③由圖1可知，壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時(shí)達(dá)到平衡X點(diǎn)，是甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，據(jù)此計(jì)算甲烷的濃度變化量，根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算v（CH₄），再利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（CO）；
利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算該溫度下的平衡常數(shù)；
（3）由圖2可知，氫離子由左邊轉(zhuǎn)移到右邊，左邊有氣體生成，故左邊發(fā)生氧化反應(yīng)，右邊發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)中氧氣發(fā)生還原反應(yīng)；
電極總反應(yīng)式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極電極反應(yīng)式；
根據(jù)n=

m

M

計(jì)算銅的物質(zhì)的量，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，轉(zhuǎn)移電子等于銅離子轉(zhuǎn)化為銅獲得的電子，再根據(jù)N=nN_A計(jì)算注意電子數(shù)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
由蓋斯定律，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，
故答案為：+160kJ?mol^-1；
（1）對(duì)于CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=+160kJ?mol^-1，
①、a．平衡時(shí)反應(yīng)混合物各組分的濃度不變，CO₂的濃度不再發(fā)生變化，說(shuō)明到達(dá)平衡，故a正確；
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO），則υ_正（CH₄）：υ_逆（CO）=2：1，不等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，未處于平衡狀態(tài)，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，故b錯(cuò)誤；
c．反應(yīng)混合物的總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)混合物的總的物質(zhì)的量增大，平均相對(duì)分子質(zhì)量減小，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不發(fā)生變化，說(shuō)明到達(dá)平衡，故c正確；
d．CO與H₂的化學(xué)計(jì)量數(shù)為1：1，反應(yīng)數(shù)值按物質(zhì)的量比為1：1進(jìn)行，不能說(shuō)明到達(dá)平衡，故d錯(cuò)誤；
故答案為：ac；
②由圖可知，溫度一定時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強(qiáng)P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由圖1可知，壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時(shí)達(dá)到平衡X點(diǎn)，是甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%=0.08mol/L，故v（CH₄）=

0.08mol/L

5min

=0.016mol/（L?min），根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)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），
開(kāi)始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
變化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故該溫度下平衡常數(shù)k=

0.162×0.162

0.02×0.02

=1.64
故答案為：0.032mol/（L?min）；1.64；
（3）由圖2可知，氫離子由左邊轉(zhuǎn)移到右邊，左邊有氣體生成，故左邊發(fā)生氧化反應(yīng)，右邊發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)中氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，故氧氣在c口通入，
電極總反應(yīng)式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，正極電極反應(yīng)式為3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極電極反應(yīng)式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，
銅的物質(zhì)的量為

6.4g

64g/mol

=0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，轉(zhuǎn)移電子等于銅離子轉(zhuǎn)化為銅獲得的電子，故轉(zhuǎn)移電子數(shù)目為0.1mol×2×NAmol^-1=0.2N_A，
故答案為：c；2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺；0.2N_A．

點(diǎn)評(píng)：本題考查反應(yīng)熱的計(jì)算、影響化學(xué)平衡元素、平衡圖象、原電池原理等，題目綜合性較大，難度中等，（3）中負(fù)極電極反應(yīng)式的書(shū)寫為難點(diǎn)，易錯(cuò)點(diǎn)，利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極電極反應(yīng)式．