Question

7．2013年12月17日，中國(guó)國(guó)土資源部召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布在廣東沿海珠江口盆地東部海域首次鉆獲高純度可燃冰．可燃冰的主要成分是甲烷，甲烷既是清潔的燃料，也是重要的化工原料．
（1）甲烷和二氧化碳重整制合成氣，對(duì)于溫室氣體的治理具有重大意義．
已知：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
①反應(yīng)2CO（g）═C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行的原因是△H＜0．
②合成甲醇的主要反應(yīng)是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，T℃下此反應(yīng)的平衡常數(shù)為160．某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	H2	CO	CH3OH
濃度/（mol•L-1）	0.20	0.10	0.40

比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大�。簐（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）．生產(chǎn)過(guò)程中，合成氣要進(jìn)行循環(huán)，其目的是提高原料的利用率．
③在一恒容密閉容器中，要提高反應(yīng)2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g） 中CO的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是df．
a．升溫         b．加入催化劑  c．增加CO的濃度
d．加入H₂      e．加入惰性氣體       f．分離出甲醇
（2）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖（如圖）．
①B極為電池負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O．
②若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解100mL 1mol/L的硫酸銅溶液，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，理論上消耗甲烷的體積為1.12 L（標(biāo)況下）．

Answer 1

分析 （1）①結(jié)合反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0分析判斷；
②計(jì)算此時(shí)的濃度商Qc，與平衡常數(shù)比較，判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，生產(chǎn)過(guò)程中，合成氣要進(jìn)行循環(huán)，是充分利用原料，提高原料的利用率；
③要提高CO的轉(zhuǎn)化率，必須使可逆反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（2）①由陰離子移動(dòng)方向可知B為負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷被氧化生成二氧化碳和水；
②開(kāi)始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計(jì)算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算消耗的甲烷；根據(jù)電池中的能量轉(zhuǎn)化率分析．

解答 解：（1）①CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
①反應(yīng)2CO（g）═C（s）+CO₂（g），反應(yīng)氣體體積減小△S＜0，滿足在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行，△H-T△S＜0則一定存在△H＜0，反應(yīng)2CO（g）═C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行的原因是△H＜0，
故答案為：△H＜0；
②①由表中數(shù)據(jù)可知，10min時(shí)氫氣的濃度為0.2mol/L、CO的濃度為0.1mol/L、甲醇的濃度為0.4mol/L，則此時(shí)的濃度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常數(shù)160，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，故V_正＞V_逆，生產(chǎn)過(guò)程中，合成氣要進(jìn)行循環(huán)，這樣可以提高原料利用率，
故答案為：＞；提高原料的利用率；　
③（3）a．該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
b．催化劑對(duì)平衡移動(dòng)無(wú)影響，故錯(cuò)誤；
c．增加CO的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，但CO的轉(zhuǎn)化率降低，故錯(cuò)誤；
d．加入H₂加壓，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，故正確；
e．加入惰性氣體加壓，參加反應(yīng)的氣體壓強(qiáng)不變，平衡不移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
f．分離出甲醇，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，故正確；
故選df，
故答案為：df；
（2）①由陰離子移動(dòng)方向可知B為負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，電極方程式為CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O，
故答案為：負(fù)；CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O；
②硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×2mol/L=0.2mol，開(kāi)始階段發(fā)生反應(yīng)：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應(yīng)2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，當(dāng)兩極收集到的氣體體積相等時(shí)，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12 L．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查影響化學(xué)平衡移動(dòng)的因素、平衡狀態(tài)的判斷、電化學(xué)知識(shí)，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重于學(xué)生的分析、計(jì)算能力的考查，解答本題要注意把握原電池的工作原理和化學(xué)平衡移動(dòng)原理，題目難度中等．