Question

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

2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）   △H＝－484kJ/mol

CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g）  △H＝－890kJ/mol

則：CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）△H＝____________。

 (2)在密閉容器中通人物質(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     。

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)?u>      。

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     ，該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)為      。

(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，該電池工作程中O₂應(yīng)從      (填“c或一b”)口通人，電池負(fù)極反應(yīng)式為                  ，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         。

   

 

Answer 1

【答案】

（16分）（1）＋160kJ/mol（2分） （2）①a、c（2分） ②P₄＞P₃＞P₂＞P₁（2分）

③0.032mol/(L•min)；1.64（2分）

（3）c（2分）；CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺（2分）；1.204×10²³或0.2N_A（2分）

【解析】

試題分析：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g）  △H＝－566kJ/mol、②2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）   △H＝－484kJ/mol、③CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g）  △H＝－890kJ/mol，因此根據(jù)蓋斯定律可知，③－①－②即得反應(yīng)CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），所以該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H＝－890kJ/mol＋566kJ/mol＋484kJ/mol＝＋160kJ/mol。

（1）①在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時(shí)（但不為0），反應(yīng)體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學(xué)平衡狀態(tài)。根據(jù)方程式CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）可知，該反應(yīng)是體積增大的可逆反應(yīng)，則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．混合氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量是混合氣的質(zhì)量和混合氣的總的物質(zhì)的量的比值。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，答案選ac。

②根據(jù)圖可知，溫度一定時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率α(P₁)＞α(P₂)＞α(P₃)＞α(P₄)。由于該反應(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)P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序?yàn)镻₄＞P₃＞P₂＞P₁。

③根據(jù)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)，此時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，因此甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%＝0.08mol/L，故v(CH₄)＝＝0.016mol/(L•min)。根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比可知，v(CO)＝2v v(CH₄)＝2×0.016mol/(L•min)＝0.032mol/(L•min)。

                       CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）

起始濃度（mol/L）  0.1      0.1         0        0

轉(zhuǎn)化濃度（mol/L）  0.08     0.08        0.16     0.16

平衡濃度（mol/L）  0.02     0.02        0.16     0.16

所以該溫度下平衡常數(shù)K＝＝＝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)中氧氣得到電子，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：CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺。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×N_Amol^－1＝0.2N_A。

考點(diǎn)：考查蓋斯定律的應(yīng)用；平衡狀態(tài)的判斷、外界條件對(duì)平衡狀態(tài)的影響；反應(yīng)速率和平衡常數(shù)的計(jì)算；電化學(xué)原理的應(yīng)用以及有關(guān)計(jì)算等