Question

5．天然氣是一種重要的清潔能源和化工原料，其主要成分為甲烷．
（1）工業(yè)上可用煤制天然氣，生產(chǎn)過程中有多種途徑生成CH₄．
①寫出CO₂與H₂反應(yīng)生成CH₄和H₂O的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1
已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
②科學(xué)家用氮化鎵材料與銅組裝如圖的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置成功地實(shí)現(xiàn)了以CO₂和H₂O合成CH₄．
寫出銅電極表面的電極反應(yīng)式CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O．為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量硫酸（選填“鹽酸”或“硫酸”）．
③另一生成CH₄的途徑是CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）．某溫度下，將0.1mol CO和0.3molH₂充入10L的密閉容器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g），平衡時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為80%，求此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=1.5×10⁵．（計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）
（2）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入
空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然氣的一個(gè)重要用途是制取H₂，其原理為：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）．

在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示，則壓強(qiáng)P₁小于P₂（填“大于”
或“小于”）；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)：v（正）大于v（逆）（填“大于”、“小于”或“等于”）．
（4）天然氣也可重整生產(chǎn)化工原料，最近科學(xué)家們利用天然氣無氧催化重整獲得芳香烴X．由質(zhì)譜分析得X的相對(duì)分子質(zhì)量為106，其核磁共振氫譜如圖2，則X的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)蓋斯定律書寫目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
②由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷；根據(jù)酸的揮發(fā)性分析；
③計(jì)算平衡時(shí)氫氣濃度變化量，利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
（2）NH₄HS中硫元素為-2價(jià)，具有還原性能被氧氣氧化為硫單質(zhì)；
（3）該反應(yīng)正向?yàn)轶w積增大的方向，壓強(qiáng)越大，CH₄的轉(zhuǎn)化率越小；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)反應(yīng)未達(dá)到平衡，則反應(yīng)正向移動(dòng)；
（4）已知X的相對(duì)分子質(zhì)量為l06，設(shè)其分子式為C_xH_y，由$\frac{106}{12}$可知x=8，y=10，再根據(jù)質(zhì)譜圖中有2個(gè)峰，判斷分子中含有2種環(huán)境的H．

解答 解：（1）①已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②+③-①×2得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162kJ•mol^-1；
②由電池裝置圖可知，Cu上二氧化碳得電子生成甲烷，則Cu電極上的電極反應(yīng)為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；可向裝置中加入少量的酸作電解質(zhì)，由于鹽酸易揮發(fā)，生成的甲烷中會(huì)混有HCl氣體，所以選用硫酸，不用鹽酸；
故答案為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；硫酸；
③平衡時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為80%，參加反應(yīng)氫氣的物質(zhì)的量=0.3mol×80%=0.24mol，故氫氣的濃度變化量=$\frac{0.24mol}{10L}$=0.024mol/L，則：
             CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：0.01   0.03     0       0
變化（mol/L）：0.008  0.024   0.008    0.008
平衡（mol/L）：0.002  0.006   0.008    0.008
故平衡常數(shù)=$\frac{0.008×0.008}{0.002×0.00{6}^{3}}$=1.5×10⁵，
故答案為：1.5×10⁵；
（2）NH₄HS中硫元素為-2價(jià)，具有還原性能被氧氣氧化為硫單質(zhì)，則一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫和氨水，則反應(yīng)方程式為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
故答案為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）該反應(yīng)正向?yàn)轶w積增大的方向，壓強(qiáng)越大，CH₄的轉(zhuǎn)化率越小，已知相同溫度下，P₁條件下的轉(zhuǎn)化率大于P₂，則P₁小于P₂；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)反應(yīng)未達(dá)到平衡，則反應(yīng)正向移動(dòng)，所以v（正）大于v（逆）；
故答案為：小于；大于；
（4）芳香烴X，已知X的相對(duì)分子質(zhì)量為l06，設(shè)其分子式為C_xH_y，由$\frac{106}{12}$可知x=8，y=10，說明分子中含有一個(gè)苯環(huán)，另外含有2個(gè)C原子，再根據(jù)質(zhì)譜圖中有2個(gè)峰，可知分子中含有2種環(huán)境的H，則分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為，故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律、原電池原理、方程式的書寫、化學(xué)平衡常數(shù)、平衡移動(dòng)、有機(jī)物分子式的確定等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，題目難度中等．