Question

【題目】“十三五”期間，云南省將推進8條支線天然氣管道的建設(shè)，促成云南真正邁入“氣化時代”。根據(jù)下列有關(guān)天然氣的研究和應(yīng)用回答問題：

（l）在一定溫度和壓強下，由最穩(wěn)定單質(zhì)生成lmol化合物的焓變稱為該物質(zhì)的摩爾生成焙。根據(jù)此定義，穩(wěn)定單質(zhì)的摩爾生成焓為0。某些化合物的摩爾生成焓如下表所示：

化合物	CO2	CH4	CO
摩爾生成焓（kJ·mol）	-395	-74.9	-110.4

CH4（g）與CO2（g）反應(yīng)生成CO（g）和H2（s）的熱化學(xué)方程式為______。

（2）若上述反應(yīng)分Ⅰ、Ⅱ兩步進行，其能量曲線如圖1所示。則總反應(yīng)的反應(yīng)速率取決于反應(yīng)_______（填“I”或“Ⅱ”）。

（3）一定溫度下反應(yīng)：CO2（g）+CH4（g） 2CO（g）+2H2（g）的平衡常數(shù)表達式Kp=___（用平衡分壓代替平衡濃度表示）.

（4）在壓強為p1、p2、p3的三個恒壓密閉容器中分別通入1.0molCH4（g）與1.0mol CO2（g）,發(fā)生反應(yīng)：CO2（g）+CH4（g）2CO（g）+2H2（g）.測得平衡時CH4的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強的關(guān)系如圖2所示。

① a點時CH4的轉(zhuǎn)化率為_______。

② 壓強p1、p2、p3由大到小的順序為______，判斷理由是_____。

溫度為Tl℃、壓強為P3時，b點處v（正）_____v（逆）（填“<”、“>”或“=”）。

（5）某種燃料電池以熔融碳酸鈉、碳酸鉀為電解質(zhì)，其工作原理如圖3所示，該電池負極的電極反應(yīng)式為________。若電極B附近通入1m3空氣（假設(shè)空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)為20% ）并完全反應(yīng)，理論上可消耗相同條件下CH4的體積為_______m3。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH=+249.1kJ/mol I 80% p3>p2>p1 該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，壓強增大，平衡逆移，甲烷的體積分?jǐn)?shù)增大 > CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O 0.1

【解析】(l)已知CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) 反應(yīng)的ΔH=[2(-110.4)+0]kJ·mol-[(-395)+(-74.9)]kJ·mol=+249.1kJ/mol ，即CH4(g)與CO2(g)反應(yīng)生成CO(g)和H2(s)的熱化學(xué)方程式為CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH=+249.1kJ/mol；

(2)根據(jù)能量曲線圖可知，反應(yīng)Ⅰ反應(yīng)物活化能大，反應(yīng)速率慢，而反應(yīng)Ⅱ反應(yīng)速率較快，則總反應(yīng)的反應(yīng)速率取決于慢反應(yīng)，即反應(yīng)I；

(3)可逆反應(yīng)CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)的平衡常數(shù)表達式Kp=；

(4)①設(shè)a點時CH4的轉(zhuǎn)化率為α

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

起始物質(zhì)的量(mol) 1 1 0 0

變化物質(zhì)的量(mol) α α 2α 2α

變化后物質(zhì)的量(mol) 1-α 1-α 2α 2α

則： =，解得：α=80%；

② 該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，壓強增大，平衡逆移，甲烷的體積分?jǐn)?shù)增大，故p3>p2>p1；溫度為Tl℃、壓強為P3時，b點處恒壓曲線P3上方，CH4的含量比平衡時高，則此時反應(yīng)應(yīng)正向進行，即v(正)>v(逆；

(5)燃料電池通O2的極為正極，通CH4的極為負極，即電極A為負極，負極上CH4失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO2，電極反應(yīng)式為CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O；若電極B附近通入1m3空氣(假設(shè)空氣中O2的體積分?jǐn)?shù)為20% )，則參加反應(yīng)的O2的物質(zhì)的量為1000L×20%÷22.4L/mol，根據(jù)電子守恒可知，消耗CH4體積為1000L×20%÷22.4L/mol××22.4L/mol=100L=0.1m3。