Question

4．天然氣是一種重要的清潔能源和化工原料，其主要成分為甲烷．
（1）工業(yè)上可用煤制天然氣，生產(chǎn)過(guò)程中有多種途徑生成CH₄．
①寫(xiě)出CO₂與H₂反應(yīng)生成CH₄和H₂O的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1．
已知：
CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1 2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
②科學(xué)家用氮化鎵材料與銅組裝如圖的人工光合系統(tǒng)：，利用該裝置成功地實(shí)現(xiàn)了以CO₂和H₂O合成CH₄．寫(xiě)出銅電極表面的電極反應(yīng)式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸（填“鹽酸”或“硫酸”）．

（2）天然氣制取H₂的原理為：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）．在密閉容器中通入濃度均為0.125mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，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所示，則壓強(qiáng)P₁＜P₂（填“＞”或“＜”）；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；求溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.56 mol²•L^-2（計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字）．
（3）天然氣也可重整生產(chǎn)化工原料，最近科學(xué)家們利用天然氣無(wú)氧催化重整獲得芳香烴X．由質(zhì)譜分析得X的相對(duì)分子質(zhì)量為106，其核磁共振氫譜如上圖2，則X的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為．（相對(duì)原子量：C-12  H-1）

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅲ-Ⅰ×2+Ⅱ可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）；
②由電池裝置圖可知，Cu電極上二氧化碳得電子生成甲烷；由于鹽酸易揮發(fā)，生成的甲烷中會(huì)混有HCl氣體，應(yīng)選用硫酸；
（2）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小；
Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡；
溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.125mol•L^-1×80%=0.1mol，計(jì)算平衡時(shí)各組分濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（3）芳香烴X的相對(duì)分子質(zhì)量為l06，設(shè)其分子式為C_xH_y，由$\frac{106}{12}$=8…10，可知分子式為C₈H₁₀，分子中含有一個(gè)苯環(huán)，為苯的同系物，核磁共振氫譜中有2個(gè)峰，可知分子中含有2種環(huán)境的H，應(yīng)含有2個(gè)甲基且處于對(duì)位位置．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅲ-Ⅰ×2+Ⅱ可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1；
②由電池裝置圖可知，Cu電極上二氧化碳得電子生成甲烷，則Cu電極上的電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，可向裝置中加入少量的酸作電解質(zhì)，由于鹽酸易揮發(fā)，生成的甲烷中會(huì)混有HCl氣體，所以選用硫酸，不用鹽酸，
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；硫酸；
（2）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，故壓強(qiáng)P₁＜P₂；
Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡，則v（正）＞v（逆；
溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.125mol•L^-1×80%=0.1mol，則：
               CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）
起始濃度（mol/L）：0.125   0.125     0       0
變化濃度（mol/L）：0.1     0.1       0.2     0.2
平衡濃度（mol/L）：0.025   0.025     0.2     0.2
故平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{0．{2}^{2}×0．{2}^{2}}{0.025×0.025}$（mol．L）²=2.56 mol²•L^-2，
故答案為：＜；＞2.56 mol²•L^-2；
（3）芳香烴X的相對(duì)分子質(zhì)量為l06，設(shè)其分子式為C_xH_y，由$\frac{106}{12}$=8…10，可知分子式為C₈H₁₀，分子中含有一個(gè)苯環(huán)，為苯的同系物，核磁共振氫譜中有2個(gè)峰，可知分子中含有2種環(huán)境的H，應(yīng)含有2個(gè)甲基且處于對(duì)位位置，則X的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡圖象、蓋斯定律的應(yīng)用、原電池原理、有機(jī)物結(jié)構(gòu)的確定等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，題目難度中等．