Question

在海底和青藏高原都發(fā)現(xiàn)了名為“可燃冰”的環(huán)保型新能源，主要成分是CH₄，CH₄在光照下可與Cl₂反應，也可以用CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇等新型燃料．
（1）在一定條件下，發(fā)生反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0．
若在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2molCH₄（g）和2mol H₂O（g），反應達平衡后，生成l molCO，CH₄的轉化率為

 

．此時向容器中同時加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），則平衡將

 

（填“向正反應方向”、“向逆反應方向”或“不”）移動，達到新平衡后平衡常數為

 

．若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應達平衡后，生成CO

 

 l mol（填“大于”、“小于”或“等于”）．
（2）CH₄可用于設計燃料電池，甲烷燃料電池的工作原理如圖1所示：通入CH₄的一極電極反應式為：

 

；反應一段時間后溶液的pH

 

（填“升高”、“降低”或“不變”）．
（3）若將CH₄燃料電池與圖2表示的電解池相連，U形管裝有電解液a；X、Y是兩塊電極板，請回答以下問題：
①該電解池的Y電極與CH₄燃料電池中通入

 

一極相連
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，則電解池中X極上的電極反應為

 

．
該電解池的總反應為

 

．
③若X、Y都是惰性電極，a是含有0.4mol CuSO₄和0.2mol KCl的水溶液1L，電解一段時間后，在一個電極上析出18.2g Cu，此時在另一電極上放出的氣體在標準狀況下的體積

 

（忽略水中溶解）

Answer 1

考點：化學平衡的計算,化學電源新型電池,化學平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應達平衡后時，有
               CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）    1       1               0      0
反應（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
平衡（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
所以CH₄的轉化率=

0.5

1

×100%=50%；
所以平衡常數K=

1.5 3×0.5

0.5×0.5

=6.75，
平衡常數只與溫度有關，與物質的起始濃度無關，所以此時加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），剛好此數據就是上述的平衡狀態(tài)，則平衡不移動，平衡常數仍然為6.75，
若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），因為反應時體積增大，所以在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應相當于減壓，平衡要向正反應方向移動，則反應達平衡后，生成CO大于l mol；
（2）根據氧氣得到電子化合價升高來書寫；根據總反應式判斷溶液的PH變化；
（3）①根據電解池的陽極與原電池的正極相連，陰極與原電池的負極相連判斷；
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，Y電極上氯離子放電生成氯氣，X電極上氫離子放電，同時該電極附近生成氫氧根離子；
③n（Cu）=

18.2g

64g/mol

=0.28mol，陰極發(fā)生Cu²⁺+2e^-=Cu，可知陰極得到0.56mol電子，陽極發(fā)生：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，結合兩極轉移電子數目相等和電極方程式計算．

解答： 解：（1）在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應達平衡后時，有
               CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）    1       1               0      0
反應（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
平衡（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
所以CH₄的轉化率=

0.5

1

×100%=50%；
所以平衡常數K=

1.5 3×0.5

0.5×0.5

=6.75，
平衡常數只與溫度有關，與物質的起始濃度無關，所以此時加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），剛好此數據就是上述的平衡狀態(tài)，則平衡不移動，平衡常數仍然為6.75，
若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應，T℃時，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），因為反應時體積增大，所以在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應相當于減壓，平衡要向正反應方向移動，則反應達平衡后，生成CO大于l mol；
故答案為：50%；不；6.75；大于；
（2）CH₄失去電子失去，電極反應為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，該電池的反應式為2O₂+CH₄+2OH^-═CO₃^2-+3H₂O，消耗了溶液中的氫氧根離子，且有溶劑水生成，導致溶液中氫氧根離子的濃度降低，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；降低；
（3）①電解池的陽極與原電池的正極相連，陰極與原電池的負極相連，Y電極為陽極，所以與CH₄燃料電池中通入氧氣一級相連，故答案為：O₂；
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，Y電極上氯離子放電生成氯氣，電極反應式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑，X電極上氫離子放電，電極反應式為2H⁺+2e^-=H₂↑，同時該電極附近生成氫氧根離子，Y電極上氯離子放電生成氯氣，所以電池反應式為2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，故答案為：2H⁺+2e^-=H₂↑；2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
③n（Cu）=

18.2g

64g/mol

=0.28mol，陰極發(fā)生Cu²⁺+2e^-=Cu，可知陰極得到0.56mol電子，陽極發(fā)生：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，
則生成n（Cl₂）=0.1mol，轉移電子0.2mol，
則生成氧氣轉移電子0.36mol，生成氧氣0.09mol，
所以陽極共生成0.19mol氣體，體積為4.256L，故答案為：4.256L；

點評：本題主要考查了化學平衡常數、化學平衡移動、電極反應式的書寫，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，注意把握電解方程式的書寫，為解答該題的關鍵，難度中等．