Question

甲烷作為一種新能源在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，請回答下列問題：
（1）以天然氣為原料制H₂是合成氨的一條重要的路線．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料氣H₂，其反應(yīng)式如下：
①CH₄（g）+

1

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
有研究認(rèn)為甲烷部分氧化的機(jī)理為：
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ?mol^-1
請結(jié)合以上條件寫出CH₄和H₂O（g）生成CO和H₂的熱化學(xué)反應(yīng)方程式：

 

．
（2）恒溫下，向一個(gè)2L的密閉容器中充入1molN₂和2.6molH₂，反應(yīng)過程中對NH₃的濃度進(jìn)行檢測，得到的數(shù)據(jù)如表所示：

時(shí)間/min	5	10	15	20	25	30
c（NH3）/（ mol?/L-1）	0.08	0.14	0.18	0.20	0.20	0.20

2溫度下此反應(yīng)化學(xué)平衡平衡常數(shù)為

 

，前20min的平均速率v（H₂）為

 

．
②能提高反應(yīng)中N₂的平衡轉(zhuǎn)化率的是

 

．
A．增加N₂的濃度  B．增加H₂的量 C．移出部分NH₃ D．提高反應(yīng)溫度E．減小容器的容積 F．加入合適的催化劑

（3）如圖1表示合成NH₃反應(yīng)在某段時(shí)間t₀→t₆中反應(yīng)速率與反應(yīng)過程的曲線圖，若t₁時(shí)改變的條件是升高溫度，則在下列到達(dá)化學(xué)平衡的時(shí)間段中，NH₃的體積分?jǐn)?shù)最小的一段時(shí)間是（填寫下列序號，下同）

 

，化學(xué)平衡常數(shù)最大的一段時(shí)間是

 

．
A．t₀→t₁ B．t₂→t₃ C．t₃→t₄ D．t₅→t₆
t₄時(shí)改變的條件是

 

．
（4）如圖2所示，裝置I為甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ?qū)崿F(xiàn)鐵棒上鍍銅．
①b處電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是

 

．
②電度結(jié)束后，裝置I中溶液的pH

 

，裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質(zhì)的量濃度

 

．（填寫“變大”、“變小”或“不變”）
③若完全反應(yīng)后，裝置Ⅱ中陰極質(zhì)量增加12.8g，則裝置I中理論上消耗氧氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）

 

L．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,用蓋斯定律進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)熱的計(jì)算,原電池和電解池的工作原理,用化學(xué)平衡常數(shù)進(jìn)行計(jì)算

專題：

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來計(jì)算反應(yīng)的焓變；
（2）根據(jù)“三行計(jì)算法”來確定反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡常數(shù)，依據(jù)圖表計(jì)算氨氣反應(yīng)速率，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比計(jì)算得到氫氣反應(yīng)速率；能提高反應(yīng)中N₂的平衡轉(zhuǎn)化率，改變條件使平衡正向進(jìn)行分析；
（3）分析圖象變化，若t₁時(shí)改變的條件是升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；t₃時(shí)刻改變的條件是加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡；t₄時(shí)刻正逆反應(yīng)速率減小，平衡逆向進(jìn)行，應(yīng)是增大體積減小壓強(qiáng)；平衡常數(shù)隨溫度變化，不隨濃度、壓強(qiáng)變化；
（4）圖Ⅰ為原電池，為甲烷燃燒電池，燃料甲烷做原電池負(fù)極反應(yīng)物失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，圖Ⅱ?yàn)殡娊獬�，鐵棒鍍銅，推斷鐵做電解池陰極，銅做電解池陽極；a為原電池負(fù)極，b為原電池正極；
①b處是氧氣得到電子發(fā)生的電極反應(yīng)；
②原電池反應(yīng)是堿性溶液中進(jìn)行消耗氫氧根生成水，溶液PH減��；裝置Ⅱ是電鍍陽極電極反應(yīng)可知，銅離子濃度不變；
③依據(jù)原電池和電解池中電子守恒計(jì)算消耗甲烷的體積．

解答： 解：（1）①CH₄（g）+

1

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ?mol^-1
結(jié)合蓋斯定律計(jì)算，①×2-②×

1

2

-③可知反應(yīng)CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H=①×2-②×

1

2

-③×=250.3kJ?mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ?mol^-1；
（2）根據(jù)反應(yīng)N₂ +3H₂ ?2NH₃
初始濃度：0.5    1.3     0
變化濃度：0.1    0.3     0.2
平衡濃度：0.4    1.0     0.2
所以達(dá)到平衡時(shí)平衡常數(shù)K=

0．22

0.4×1.0

=0.1mol/L，前20min的平均速率v（H₂）=

3

2

v（NH₃）=

3

2

×

0.2mol/L

20min

=0.015mol/L?min；
N₂ +3H₂ ?2NH₃ ，反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，平衡正向進(jìn)行能提高反應(yīng)中N₂的平衡轉(zhuǎn)化率；
A．兩種反應(yīng)物中增加一種會提高另一種的轉(zhuǎn)化率，本身轉(zhuǎn)化率減小，增加N₂的濃度，氮?dú)廪D(zhuǎn)化率減小，故A錯(cuò)誤；  
B．增加H₂的量會提高氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化率，故B正確；
C．移出部分NH₃ ，減小生成物濃度，平衡正向進(jìn)行，氮?dú)廪D(zhuǎn)化率增大，故C正確；
D．反應(yīng)是放熱反應(yīng)，提高反應(yīng)溫度，平衡逆向進(jìn)行，氮?dú)廪D(zhuǎn)化率減小，故D錯(cuò)誤；
E．減小容器的容積，增大壓強(qiáng)，平衡正向進(jìn)行，氮?dú)廪D(zhuǎn)化率增大，故E正確；
 F．加入合適的催化劑改變反應(yīng)速率，步步改變化學(xué)平衡，氮?dú)廪D(zhuǎn)化率不變，故F錯(cuò)誤；
故答案為：0.1mol/L；0.015mol/L?min；BCE；
（3）分析圖象變化，若t₁時(shí)改變的條件是升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；t₃時(shí)刻改變的條件是加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡；t₄時(shí)刻正逆反應(yīng)速率減小，平衡逆向進(jìn)行，應(yīng)是增大體積減小壓強(qiáng)；平衡常數(shù)隨溫度變化，不隨濃度、壓強(qiáng)變化，依據(jù)條件改變和平衡移動方向分析，NH₃的體積分?jǐn)?shù)最小的一段時(shí)間為 t₅→t₆，化學(xué)平衡常數(shù)隨溫度變化，不隨濃度，壓強(qiáng)變化，所以最大的一段時(shí)間t₀→t₁；上述分析可知t₄改變的條件是 減小壓強(qiáng)；
故答案為：D；A；減小壓強(qiáng)；
（4）圖Ⅰ為原電池，為甲烷燃燒電池，燃料甲烷做原電池負(fù)極反應(yīng)物失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，圖Ⅱ?yàn)殡娊獬�，鐵棒鍍銅，推斷鐵做電解池陰極，銅做電解池陽極；a為原電池負(fù)極，b為原電池正極；
①b處是氧氣得到電子發(fā)生的電極反應(yīng)；電極反應(yīng)為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②原電池反應(yīng)是堿性溶液中進(jìn)行消耗氫氧根生成水，溶液PH減��；裝置Ⅱ是電鍍陽極電極反應(yīng)可知，陽極電極反應(yīng)為：Cu-2e^-=Cu²⁺，陰極電極反應(yīng)為：Cu²⁺+2e^-=Cu，銅離子濃度不變，故答案為：變��；不變；
③裝置Ⅱ中陰極電極反應(yīng)為Cu²⁺+2e^-=Cu，質(zhì)量增加12.8g為銅物質(zhì)的量為0.2mol，轉(zhuǎn)移電子為0.4mol，裝置I中負(fù)極電極反應(yīng)為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O理論上消耗氧氣物質(zhì)的量為：0，1mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，故答案為：2.24．

點(diǎn)評：本題考查化學(xué)平衡的計(jì)算判斷，化學(xué)平衡的三段式計(jì)算應(yīng)用，熱化學(xué)方程式書寫和蓋斯定律計(jì)算應(yīng)用，平衡影響因素的分析判斷，原電池、電解池原理的計(jì)算應(yīng)用和電極書寫方法，圖象分析方法是解題關(guān)鍵，題目難度中等．