Question

7．工業(yè)上使用石油熱裂解的副產(chǎn)物CH₄來制取CO和H₂，其生產(chǎn)流程如圖1：

（1）此流程的第I步反應(yīng)為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），
一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖2．則P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”）．
100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5．此時該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.25×10^-4．
（2）此流程的第II步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表：

溫度/℃	400	500	830
平衡常數(shù)K	10	9	1

從上表可以推斷：該反應(yīng)是放熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）．
圖3表示該反應(yīng)在t₁時刻達到平衡，在t₂時刻因改變某個條件引起濃度變化的情況，圖中t₂時刻發(fā)生改變的條件是降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量（寫出一種）．

（3）工業(yè)上常利用第Ⅰ步反應(yīng)產(chǎn)生的CO和H₂在“催化反應(yīng)室”中合成二甲醚（CH₃OCH₃）．在催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進行下列反應(yīng)：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
催化反應(yīng)室中總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ/mol．
（4）用二甲醚-空氣堿性（KOH）燃料電池作電源電解精煉粗銅（見圖4），在接通電路一段時間純銅質(zhì)量增加6.4g．
請寫出燃料電池中的正極反應(yīng)式：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
燃料電池正極消耗空氣的體積是5.6L（標(biāo)準(zhǔn)狀況，空氣中O₂體積分?jǐn)?shù)以20%計算）．

Answer 1

分析 （1）采取控制變量法分析，由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算平衡濃度結(jié)合平衡常數(shù)概念計算得到，平衡常數(shù)隨溫度變化；
（2）分析圖表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，結(jié)合平衡移動原理分析；
（3）根據(jù)蓋斯定律結(jié)合已知反應(yīng)來書寫熱化學(xué)方程式，加減法求焓變；
（4）燃料電池中，負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，根據(jù)氧氣和空氣之間的組成關(guān)系來回答．

解答 解：（1）由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，平衡向正反應(yīng)方向移動，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即P₁＜P₂；100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5，
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）    0.01    0.02       0      0
變化量（mol/L）   0.005   0.005     0.005   0.015
平衡量（mol/L）   0.005   0.015     0.005   0.015
平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}{c（CH{\;}_{4}）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.005×（0.015）{\;}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4（mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
（2）分析圖表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），反應(yīng)是氣體體積不變的放熱反應(yīng)，在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，說明平衡正向進行，降低溫度，或增加水蒸氣的量或減少氫氣的量均可以實現(xiàn)，
故答案為：放熱；降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol，
反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以根據(jù)①×2+③+②得到，得出此反應(yīng)的△H=-246.1kJ/mol，
故答案為：-246.1kJ/mol；
（4））燃料電池中，負(fù)極上是燃料甲醚發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，發(fā)生的反應(yīng)為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，燃料電池正極上發(fā)生的電極反應(yīng)為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，純Cu是陰極，該極上析出金屬銅，當(dāng)質(zhì)量增加6.4g，轉(zhuǎn)移電子為0.2mol，此時正極上消耗氧氣的物質(zhì)的量是0.05mol，所以需要空氣的體積是0.05mol×5×22.4L/mol=5.6L，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；5.6．

點評 本題考查了化學(xué)平衡的分析判斷，圖象分析方法，平衡常數(shù)的計算應(yīng)用，平衡移動原理的理解和影響因素的分析是解題關(guān)鍵，題目難度適中．