Question

5．天然氣、可燃冰的主要成分都是甲烷，甲烷既是一種清潔能源，又是一種重要的化工原料．
（1）以甲烷為主要原料可以生成合成氣（CO和H₂），主要反應如下：有研究認為甲烷部分氧化的機理為：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
則反應CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ/mol．
（2）CH₄也可以和H₂O（g）在催化劑表面反應生成合成氣：CH₄（g）+H₂O（g）═3H₂（g）+CO（g），該反應在不同溫度下的化學平衡常數K如下表：

溫度（℃）	800	1000	1200	1400
平衡常數（K）	0.45	1.92	276.5	1771.5

（1）該反應△H＞0（選填“＞”或“＜”）；
（2）已知800℃時，向1L密閉容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，則平衡時向正向移動（選填“正向移動”、“逆向移動”或“不移動”．
（3）工業(yè)上利用合成氣在恒容、催化劑和加熱的條件下可以生產甲醇，其熱化學方程式為：2H₂（g）+CO（g）═CH₃OH（g）△H=-90.8kJ/mol．
①以下各項能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是AB．
A、混合氣體的平均式量保持不變　　　　　　　　
B、混合氣體的壓強不變
C、混合氣體的密度保持不變　　　　　　　　　　　　　　
D、2v_逆（H₂）=v_正（CH₃OH）
②在200℃、230℃和260℃三種不同溫度、2L恒容密閉容器中研究合成甲醇的規(guī)律，如圖是上述三種溫度下不同的H₂和C0的起始組成比（起始時CO的物質的量均為1mol）與CO平衡轉化率的關系，則曲線Z對應的溫度是260℃．由起始達到 a 點所需時間為 5min，則 H₂的反應速率 為0.1mol/（L•min）．
（4）以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃為電解質，向一極通入甲烷，另一極通入空氣和CO₂，甲烷可形成燃料電池．負極的電極反應式為CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O，若該裝置的電流強度為1.6A，理論上每分鐘應向負極通入標準狀況下的氣體約為2.8mL．（已知：一個電子所帶電量為1.6×10-¹⁹C）

Answer 1

分析 （1）據蓋斯定律由已知的熱化學方程式乘以相應的數值進行加減，來構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的數值進行加減；
（1）根據平衡移動判斷反應的熱量變化；
（2）根據平衡常數和濃度商的大小，來判斷反應進行的方向；
（3）①反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變，以此判斷；
②正反應放熱，則升高溫度CO的轉化率降低；a 點CO的轉化率為50%，以此計算氫氣的物質的量濃度的變化，進而計算反應速率；
（4）負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O；根據Q=It和N=$\frac{Q}{e}$結合CH₄-8e^-+4CO₃^2-=CO₂+2H₂O計算．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=-802.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）═H₂（g）+CO₂（g）；△H=-41.2kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）；△H=-566.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，①+2×②-2×③得CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol，故答案為：+247.3kJ/mol；
（1）溫度升高，平衡常數增大即平衡向正反應方向移動，故該反應為吸熱反應，故答案為：＞；
（2）已知800℃時，向1L密閉容器中投入0.5molCH₄、0.5mol　H₂O、0.5molH₂和0.5molCO，所以Qc=$\frac{0.5×0．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=0.25＜0.45=K，說明平衡正向移動，故答案為：正向移動；
（3）①A、混合氣體的平均式量保持不變，說明氣體的總物質的量不變，反應達到平衡，故A正確；
B、混合氣體的壓強不變，說明氣體的總物質的量不變，反應達到平衡，故B正確；
C、混合氣體的密度始終保持不變，故C錯誤；
D、反應達平衡狀態(tài)時應有v_逆（H₂）=2v_正（CH₃OH），故D錯誤；
故答案為：AB；
②該反應為放熱反應，溫度越高CO的轉化率越小，所以曲線X為200℃，由圖象可知曲線Z為260℃，
a 點CO的轉化率為50%，則△n（CO）=0.5mol，△n（H₂）=1mol，
H₂的反應速率為$\frac{\frac{1mol}{2L}}{5min}$=0.1mol/（L•min），
故答案為：260℃； 0.1mol/（L•min）； 
（4）負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；根據Q=It=1.6A×60s=96C，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{96C}{1.6×1{0}^{-19}C}$=6×10²⁰個，
由CH₄～～～～8e^-
22.4     8×6×10²³
   V        6×10²⁰

$\frac{22.4}{V}=\frac{8×6×1{0}^{23}}{6×1{0}^{20}}$
解之得：V=0.0028L=2.8mL，故答案為：CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O；2.8．

點評 本題綜合性較大，涉及化學平衡常數、化學平衡影響因素以及電化學知識等，為高考常見題型，側重于學生的分析、計算能力的考查，難度較大．