Question

17．化學原理是中學化學學習的重要內(nèi)容．請回答下列問題：
（1）①己知：CH₄、H₂的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol，則CO₂和H₂反應(yīng)生成CH₄的熱化學方程式是CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9kJ/mol．
②有人設(shè)想以N₂和H₂為反應(yīng)物，以溶有A的稀鹽酸為電解質(zhì)溶液，可制造出既能提供電能，又能固氮的新型燃料電池，裝置如圖1所示，電池正極的電極反應(yīng)式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺； A是氯化銨．

（2）甲醇是一種可再生能源，具有開發(fā)和應(yīng)用的廣闊前景，工業(yè)上可用合成氣制備甲醇，反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），某溫度下在容積為2L的密閉容器中進行該反應(yīng)，其相關(guān)數(shù)據(jù)見圖2：
①從反應(yīng)開始至平衡時，用CO表示化學反應(yīng)速率為0.03mol/（L•min），該溫度下的平衡常數(shù)為$\frac{75}{8}$；
②5min至10min時速率變化的原因可能是反應(yīng)受熱或使用了催化劑；
（3）甲烷，可以用來制備氫氣．其反應(yīng)方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol[其中投料比n（CH₄）：n（H₂O）=1：1]．
對于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可表示平衡常數(shù)（記作K_P，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)）．平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強（總壓）的關(guān)系如圖3所示：則p₁＜ p₂ （填“＞”或“＜”），p₂時M點的平衡常數(shù)K_P=0.066（小數(shù)點后保留3位）．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)燃燒熱寫出①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依據(jù)蓋斯定律，②×4-①來計算焓變；
②電池中氫氣失電子，在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，氮氣得電子在正極發(fā)生還原反應(yīng)，氨氣與HCl反應(yīng)生成氯化銨，則電解質(zhì)溶液為氯化銨；
（2）①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$結(jié)合圖象計算CH₃OH的速率，再根據(jù)速率之比等于系數(shù)之比計算CO的化學反應(yīng)速率；根據(jù)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$及各組分的濃度計算出該反應(yīng)的平衡常數(shù)；
②反應(yīng)速率加快，根據(jù)升溫或者使用催化劑可以使反應(yīng)速率加快分析；
（3）該反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，當溫度一定時，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系可判斷壓強大小；p₂時M點的甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率為30%，據(jù)此可計算得平衡是都只物質(zhì)的濃度，再根平衡常數(shù)的定義進行計算．

解答 解：（1）①CH₄、H₂的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol；
則①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依據(jù)蓋斯定律，②×4-①得到：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1×4+890.3KJ/mol=-252.9 kJ/mol；
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
②該電池的本質(zhì)反應(yīng)是合成氨反應(yīng)，電池中氫氣失電子，在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，氮氣得電子在正極發(fā)生還原反應(yīng)，則正極反應(yīng)式為N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，氨氣與HCl反應(yīng)生成氯化銨，則電解質(zhì)溶液為氯化銨溶液，
故答案為：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化銨；
（2）①根據(jù)圖象CH₃OH的速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L•min），又速率之比等于系數(shù)之比，所以CO的化學反應(yīng)速率也為0.03mol/（L•min）；又由圖象可以看出平衡時氫氣的物質(zhì)的量為0.8mol，CO為0.4mol，CH₃OH為0.6mol，所以平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$=$\frac{75}{8}$，
故答案為：0.03mol/（L•min）；$\frac{75}{8}$；
②反應(yīng)速率加快，而且在10分鐘的時刻，達平衡狀態(tài)，可能是反應(yīng)受熱或使用了催化劑，
故答案為：反應(yīng)受熱或使用了催化劑；
（3）該反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，當溫度一定時，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系可判斷壓強大小知p₁時的甲烷的轉(zhuǎn)化率大于 p₂ 時的，即平衡向正反應(yīng)方向移動，所以，p₁＜p₂；p₂時M點的甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率為30%，設(shè)起始CH₄和H₂O的物質(zhì)的是量均為amol，
則根據(jù)反應(yīng)，
                CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始（mol）  a               a               0          0       
轉(zhuǎn)化（mol）  0.3a      0.3a           0.3a        0.9a
平衡（mol）  0.7a        0.7a          0.3a       0.9a   
所以CH₄、H₂O、CO、H₂平衡分壓分別為$\frac{0.7a}{2.6a}$=$\frac{7}{26}$、$\frac{7}{26}$、$\frac{3}{26}$、$\frac{9}{26}$，則K_P=$\frac{\frac{3}{26}×（\frac{9}{26}）^{3}}{\frac{7}{26}×\frac{7}{26}}$=0.066，
故答案為：＜； 0.066．

點評 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、原電池原理、平衡的移動和溶液中的反應(yīng)等相關(guān)知識，綜合性強，比較有難度．