Question

16．甲烷既是一種清潔燃料，又是一種重要的化工原料．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol．
寫出CH₄與CO₂反應(yīng)生成CO和2molH₂的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol．
（2）將2molCH₄（g）和2molH₂O（g）充入某密閉容器中發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），測得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率（a）隨溫度（T）和壓強(qiáng)（P）變化的曲線如圖所示：

①反應(yīng)CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）；
②圖中A、B、C三點(diǎn)的正反應(yīng)速率[v（A）、v（B）、v（C）]由大到小順序?yàn)関（C）＞v（B）＞v（A），理由是因?yàn)锳、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度相同，B、C兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），溫度越高，壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③若A點(diǎn)時(shí)，測得容器的體積為1L，則T₁℃時(shí)B點(diǎn)的平衡常數(shù)K（B）=27；
④比較圖中A、C兩點(diǎn)平衡常數(shù)[K（A）、K（C）]的大小；K（A）＜K（C），（填“＜”、“＞”或“=”），理由是因C點(diǎn)的溫度比A點(diǎn)溫度高，且該反應(yīng)的△H＞0，則溫度越高平衡常數(shù)越大，故有K（A）＜K（C）．
（3）有人設(shè)計(jì)用甲烷堿性燃料電池電解飽和食鹽水，當(dāng)陰極產(chǎn)生8.96L氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況，下同）時(shí)，理論上消耗甲烷的體積為2.24L．

Answer 1

分析 （1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol  ①；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol   ②；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol  ③；
根據(jù)蓋斯定律：①+2×②-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）據(jù)此計(jì)算；
（2）①由圖象可知升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大；
②根據(jù)溫度壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響分析；
③A、B兩點(diǎn)溫度相同，則平衡常數(shù)相同，A點(diǎn)時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率已知，利用三段式求出平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，在求出平衡常數(shù)；
④該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度越高，K越�。�
（3）電解飽和食鹽水時(shí)陰極生成氫氣，根據(jù)得失電子守恒，燃料電池中甲烷失去的電子數(shù)等于生成氫氣得到的電子數(shù)．

解答 解：（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802.6kJ/mol ①；
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol ②；
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol ③；
根據(jù)蓋斯定律：①+2×②-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-802.6kJ/mol+2×（-41.0kJ/mol）-2×（-566.0kJ/mol）=+247.4kJ/mol；
故答案為：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol；
（2）①由圖象可知升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，則升高溫度平衡正向移動(dòng)，所以正方向?yàn)槲鼰岱磻?yīng)，即△H＞0；
故答案為：＞；
②該反應(yīng)為體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，甲烷的轉(zhuǎn)化率越小，相同溫度T₁時(shí)，P₁對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化率大，則壓強(qiáng)P₁＜P₂，所以C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度和壓強(qiáng)均高，所以C的速率增大，A、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度相同，B點(diǎn)的壓強(qiáng)高，則v（B）＞v（A），所以v（C）＞v（B）＞v（A）；
故答案為：v（C）＞v（B）＞v（A）；因?yàn)锳、B兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度相同，B、C兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），溫度越高，壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③A、B兩點(diǎn)溫度相同，則A、B兩點(diǎn)的平衡常數(shù)相同，A點(diǎn)時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為0.5，
              CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g），
開始（mol/L）：2       2               0        0
變化（mol/L）：1       1               1        3
平衡（mol/L）：1       1               1        3
則平衡常數(shù)k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{1×{3}^{3}}{1×1}$=27；
故答案為：27；
④該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，則平衡常數(shù)K會(huì)增大，已知C點(diǎn)的溫度比A點(diǎn)溫度高，所以K（A）＜K（C）；
故答案為：＜；因C點(diǎn)的溫度比A點(diǎn)溫度高，且該反應(yīng)的△H＞0，則溫度越高平衡常數(shù)越大，故有K（A）＜K（C）；
（3）甲烷堿性燃料電池電解飽和食鹽水，當(dāng)陰極產(chǎn)生8.96L氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況，下同）時(shí)，電解飽和食鹽水時(shí)陰極生成氫氣，即生成氫氣為$\frac{8.96L}{22.4L/mol}$=0.4mol，由失電子守恒，燃料電池中甲烷失去的電子數(shù)等于生成氫氣得到的電子數(shù)，
設(shè)消耗的甲烷為nmol，則8×n=0.4mol×2，則n=0.1mol，所以V（CH₄）=nVm=0.1mol×22.4L/mol=2.24L；
故答案為：2.24．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、化學(xué)平衡的影響因素及化學(xué)平衡圖象等，題目綜合性較大，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和計(jì)算能力，難度中等，注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．