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反應生成CO和2molH₂的熱化學方程式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（P）變化的曲線如圖所示：

①反應CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）；
②圖中A、B、C三點的正反應速率[v（A）、v（B）、v（C）]由大到小順序為v（C）＞v（B）＞v（A），理由是因為A、B兩點對應溫度相同，B、C兩點對應的壓強相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），溫度越高，壓強越大，反應速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③若A點時，測得容器的體積為1L，則T₁℃時B點的平衡常數(shù)K（B）=27；
④比較圖中A、C兩點平衡常數(shù)[K（A）、K（C）]的大��；K（A）＜K（C），（填“＜”、“＞”或“=”），理由是因C點的溫度比A點溫度高，且該反應的△H＞0，則溫度越高平衡常數(shù)越大，故有K（A）＜K（C）．
（3）有人設計用甲烷堿性燃料電池電解飽和食鹽水，當陰極產(chǎn)生8.96L氣體（標準狀況，下同）時，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)溫度壓強對反應速率的影響分析；
③A、B兩點溫度相同，則平衡常數(shù)相同，A點時甲烷的轉(zhuǎn)化率已知，利用三段式求出平衡時各物質(zhì)的濃度，在求出平衡常數(shù)；
④該反應為吸熱反應，溫度越高，K越��；
（3）電解飽和食鹽水時陰極生成氫氣，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，所以正方向為吸熱反應，即△H＞0；
故答案為：＞；
②該反應為體積增大的反應，壓強越大，甲烷的轉(zhuǎn)化率越小，相同溫度T₁時，P₁對應的轉(zhuǎn)化率大，則壓強P₁＜P₂，所以C點對應的溫度和壓強均高，所以C的速率增大，A、B兩點對應的溫度相同，B點的壓強高，則v（B）＞v（A），所以v（C）＞v（B）＞v（A）；
故答案為：v（C）＞v（B）＞v（A）；因為A、B兩點對應溫度相同，B、C兩點對應的壓強相同，且P₁＜P₂，T（C）＞T（A），溫度越高，壓強越大，反應速率越大，故v（C）＞v（B）＞v（A）；
③A、B兩點溫度相同，則A、B兩點的平衡常數(shù)相同，A點時甲烷的轉(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該反應為吸熱反應，升高溫度，平衡正向移動，則平衡常數(shù)K會增大，已知C點的溫度比A點溫度高，所以K（A）＜K（C）；
故答案為：＜；因C點的溫度比A點溫度高，且該反應的△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，當陰極產(chǎn)生8.96L氣體（標準狀況，下同）時，電解飽和食鹽水時陰極生成氫氣，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．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、化學平衡常數(shù)的計算、化學平衡的影響因素及化學平衡圖象等，題目綜合性較大，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力和計算能力，難度中等，注意控制變量法與定一議二原則應用．