Question

近年來(lái)，由于溫室效應(yīng)和資源短缺等問(wèn)題，關(guān)于CO₂和碳酸鹽應(yīng)用的研究受到人們的重視。某研究小組利用反應(yīng)：CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g) △H＝－41.2kJ/mol ，制備CO₂與H₂的混合氣體，并進(jìn)一步研究CO₂與H₂以不同的體積比混合時(shí)在合適條件下的反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)用。
(1) 已知：850℃時(shí)在一體積為10 L的恒容密閉容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O濃度變化如圖1所示：

下列說(shuō)法正確的是      （填序號(hào)）

A．達(dá)到平衡時(shí)，氫氣的物質(zhì)的量是0.12mol

B．達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)體系最終會(huì)放出49.44kJ熱量

C．在0—4min，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量增大

D．第6min時(shí)，若升高溫度，反應(yīng)平衡常數(shù)會(huì)減小

E.第8min時(shí)，若充入氦氣，會(huì)導(dǎo)致v_正(CO)＜v_逆(H₂O)
(2) 850 ℃時(shí)，若在容積為2 L的密閉容器中同時(shí)充入1.0 mol CO，3.0 mol H₂O，1.0 mol CO₂和x mol H₂。若要使上述反應(yīng)開(kāi)始時(shí)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，則x應(yīng)滿足的條件是                        。
(3) 如將H₂與CO₂以4:1的體積比混合，在適當(dāng)?shù)臈l件下可制得CH₄。已知：
CH₄ (g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol
H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)            ΔH₂＝－285.8 kJ/mol
則CO₂(g)與H₂(g)反應(yīng)生成CH₄(g)與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式是                              。
(4) 熔融鹽燃料電池(見(jiàn)圖2）是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，以CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極。已知負(fù)極的電極反應(yīng)是CH₄ +4CO₃^2－－8e^－=5CO₂+2H₂O。正極的電極反應(yīng)是________。為了使該燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此電池工作時(shí)必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)，則A物質(zhì)的化學(xué)式是_________。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若通入了標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣448 L（假設(shè)空氣中O₂體積分?jǐn)?shù)為20%），則熔融鹽燃料電池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下CH₄____________L。

Answer 1

（1）BD（2分） （2）0≤x＜3（2分）
（3）CO₂(g)+4 H₂(g)＝CH₄(g)+2H₂O(l) △H＝－252.9 kJ/mol（2分）
（4）2O₂+4CO₂+8e^－＝CO₃^2－（2分）、CO₂（1分）、44.8L（2分）

試題分析：（1）A、由圖可知，平衡時(shí)△c（CO）＝0.2mol/L－0.08mol/L＝0.12mol/L，濃度變化量之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，故△c（H₂）＝△c（CO）＝0.12mol/L，則n（H₂）＝0.12mol/L×10L＝1.2mol，故A錯(cuò)誤；B、生成1.2mol氫氣，放出的熱量為41.2kJ/mol×1.2mol＝49.44kJ，故B正確；C、由圖可知4min時(shí)到達(dá)平衡，隨反應(yīng)進(jìn)行，混合氣體總質(zhì)量不變，總物質(zhì)的量也不變，所以平均相對(duì)分子質(zhì)量始終不變，故C不正確；D．該反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，故D正確；E、第8min時(shí)，若充入氦氣，壓強(qiáng)增大，但物質(zhì)的濃度不變，因此反應(yīng)速率和平衡都不變，E不正確，答案選BD。
（2）由圖可知，平衡時(shí)CO的濃度為0.08mol/L，則：
CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)
起始濃度（mol/L） 0.2    0.3       0       0
轉(zhuǎn)化濃度（mol/L） 0.12   0.12      0.12    0.12
平衡濃度（mol/L） 0.08   0.18      0.12    0.12
故平衡常數(shù)K＝＝＝1
平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，濃度商小于平衡常數(shù)，即＜1，解得x＜3，所以x的取值范圍是0≤x＜3。
（3）根據(jù)已知反應(yīng)①CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol、②H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)  ΔH₂＝－285.8 kJ/mol并結(jié)合蓋斯定律可知，②×4－①即得到CO₂(g)+4 H₂(g)
＝CH₄(g)+2H₂O(l)，則該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H＝－285.8 kJ/mol×4＋890.3 kJ/mol＝－252.9 kJ/mol。
（4）原電池中正極得到電子，則氧氣在正極通入。由于是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，所以氧氣在正極得到電子結(jié)合CO₂生成CO₃^2－，則正極電極反應(yīng)式為2O₂+4CO₂+8e^－＝4CO₃^2－。由于負(fù)極產(chǎn)生CO₂，而正極消耗CO₂，所以參加循環(huán)的物質(zhì)應(yīng)該是CO₂；448L空氣中氧氣的體積＝448L×20×＝89.6L，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積＝89.6L÷22.4L/mol＝4mol，反應(yīng)中得到4mol×4＝16mol電子。甲烷在反應(yīng)中失去8個(gè)電子，所以根據(jù)電子得失守恒可知，消耗甲烷的物質(zhì)的量是16mol÷8＝2mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是44.8L。