Question

研究CO₂與CH₄反應使之轉(zhuǎn)化為CO和H₂，對減緩燃料危機、減小溫室效應具有重要的意義．
（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=    ．
（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
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強的關系如圖1：
①下列事實能說明該反應一定達到平衡的是    ．
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由大到小的順序為    ．
③在壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，則用CO表示該反應的速率為    ，該溫度下，反應的平衡常數(shù)為    ．
（3）用CO與H₂可合成甲醇（CH₃OH），以甲醇和氧氣反應制成的燃料電池如圖2所示，該電池工作過程中O₂應從    （填“c或b”）口通入，電池負極反應式為    ，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】分析：（1）根據(jù)蓋斯定律，由于已知熱化學方程式乘以適當?shù)南禂?shù)進行加減構(gòu)造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的系數(shù)，進行相應的計算，據(jù)此解答；
（2）①可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，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．解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據(jù)此結(jié)合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答；
③由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，是甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，據(jù)此計算甲烷的濃度變化量，根據(jù)v=計算v（CH₄），再利用速率之比等于化學計量數(shù)之比計算v（CO）；
利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達式計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，右邊發(fā)生還原反應，反應中氧氣發(fā)生還原反應；
電極總反應式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，利用總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式；
根據(jù)n=計算銅的物質(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）對于CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=+160kJ?mol^-1，
①、a．平衡時反應混合物各組分的濃度不變，CO₂的濃度不再發(fā)生變化，說明到達平衡，故a正確；
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO），則υ_正（CH₄）：υ_逆（CO）=2：1，不等于化學計量數(shù)之比，未處于平衡狀態(tài)，正反應速率大于逆反應速率，平衡向正反應進行，故b錯誤；
c．反應混合物的總質(zhì)量不變，隨反應進行，反應混合物的總的物質(zhì)的量增大，平均相對分子質(zhì)量減小，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不發(fā)生變化，說明到達平衡，故c正確；
d．CO與H₂的化學計量數(shù)為1：1，反應數(shù)值按物質(zhì)的量比為1：1進行，不能說明到達平衡，故d錯誤；
故答案為：ac；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，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）==0.016mol/（L?min），根據(jù)速率之比等于化學計量數(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==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，右邊發(fā)生還原反應，反應中氧氣發(fā)生還原反應，故氧氣在c口通入，
電極總反應式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，正極電極反應式為3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，
銅的物質(zhì)的量為=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．
點評：本題考查反應熱的計算、影響化學平衡元素、平衡圖象、原電池原理等，題目綜合性較大，難度中等，（3）中負極電極反應式的書寫為難點，易錯點，利用總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式．