Question

【題目】對(duì)甲烷和CO2的高效利用不僅能緩解大氣變暖，而且對(duì)日益枯竭的石油資源也有一定的補(bǔ)充作用，甲烷臨氧耦合CO2重整反應(yīng)有：

反應(yīng)（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)　 △H=－71.4kJmol-1

反應(yīng)（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0 kJmol-1

（1）寫出表示CO燃燒熱的熱化學(xué)方程式：_______________________________。

（2）在兩個(gè)體積均為2L的恒容密閉容器中，起始時(shí)按表中相應(yīng)的量加入物質(zhì)，在相同溫度下進(jìn)行反應(yīng)（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) （不發(fā)生其它反應(yīng)），CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如下表所示：

容器	起始物質(zhì)的量(n) / mol				CO2的 平衡轉(zhuǎn)化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50％
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)是_________。

A．v正(CH4) =2v逆(CO)

B．容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C．容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不再變化

D．容器內(nèi)混合氣體密度保持不變

②若容器Ⅰ內(nèi)反應(yīng)從開始到平衡所用的時(shí)間為t min，則t min內(nèi)該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為：v(H2) = ________（用含t的表達(dá)式表示）。

③達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅰ、Ⅱ內(nèi)CO的物質(zhì)的量的關(guān)系滿足：2n(CO)Ⅰ_______n(CO)Ⅱ（填“＞”、“＝”或“＜”）

（3）將CH4(g)和O2(g)以物質(zhì)的量比為4:3充入盛有催化劑的恒容密閉容器內(nèi)，發(fā)生上述反應(yīng)（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)，相同時(shí)間段內(nèi)測(cè)得CO的體積分?jǐn)?shù)[ψ(CO)]與溫度（T）的關(guān)系如圖如示。

① T2℃時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)最大的原因是_____________。

②若T2℃時(shí)，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為P0，平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為20％，則反應(yīng)的平衡常數(shù)KP =_______（用平衡分壓強(qiáng)代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

（4）2016年我國(guó)科研人員根據(jù)反應(yīng)Na+CO2→ Na2CO3+C（未配平） 研制出一種室溫“可呼吸”Na-CO2電池。放電時(shí)該電池“吸入”CO2，充電時(shí)“呼出”CO2。其放電時(shí)的工作原理如圖所示，已知吸收的全部CO2中，有轉(zhuǎn)化為Na2CO3固體沉積在多壁碳納米管（MWCNT）電極表面，寫出放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式：_________________。

Answer 1

【答案】CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1 C mol·L－1·min－1 ＞ 低于T2℃時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡，相同時(shí)間內(nèi)溫度越高，反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)就越高，高于T2℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，因正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，故溫度越高，CO的體積分?jǐn)?shù)就越小 4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C （3CO2+4e-=2CO32－+C）

【解析】

(1) 2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)　 △H=－71.4kJmol-1 ①

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0 kJmol-1 ②

將[①-2×②]/2得：CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1

答案為：CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1

(2) ① A．2v正(CH4) =v逆(CO)，才是平衡狀態(tài)，v正(CH4) =2v逆(CO)，不是平衡狀態(tài)；

B．利用三段式進(jìn)行計(jì)算

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)

起始量 0.1 0.1 0 0

變化量 0.05 0.05 0.1 0.1

平衡量 0.05 0.05 0.1 0.1

K==0.01，

通過計(jì)算可知，此反應(yīng)的平衡常數(shù)為1/400，所以容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)不是平衡狀態(tài)；

C．因?yàn)榉磻?yīng)前后氣體的分子數(shù)不等，所以當(dāng)容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不再變化時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)；

D．因?yàn)槿萜鞯捏w積不變，氣體的總質(zhì)量不變，所以容器內(nèi)混合氣體密度始終保持不變，從而得出結(jié)論：密度不變不一定是平衡狀態(tài)。

故答案為C。

② 由上面計(jì)算可知，達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，c(H2)=0.1mol/2L=0.05mol/L

v(H2) = 答案為mol·L－1·min－1；

③ 達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅱ相當(dāng)于容器Ⅰ縮小體積為原來的二分之一，此時(shí)平衡逆向移動(dòng)，CO的物質(zhì)的量減小，也就是說比原來的二倍要小，即2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ。答案為 ＞；

(3) ①從圖中可以看出，起初，隨著溫度的不斷升高，CO體積分?jǐn)?shù)不斷增大，說明反應(yīng)不斷地向右進(jìn)行；當(dāng)溫度到達(dá)T2℃時(shí)，再升高溫度，CO體積分?jǐn)?shù)不斷減小，此時(shí)平衡逆向移動(dòng)。也就是說，T2℃前，反應(yīng)未達(dá)平衡，曲線上的每一點(diǎn)，都不是平衡點(diǎn)；T2℃后，反應(yīng)達(dá)平衡，曲線上的每一點(diǎn)，都是該溫度下的平衡點(diǎn)。由此也能得出，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

答案為：低于T2℃時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡，相同時(shí)間內(nèi)溫度越高，反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)就越高，高于T2℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，因正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，故溫度越高，CO的體積分?jǐn)?shù)就越��；

② 我們?nèi)杂萌�段式求�?/span>

2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)

起始量 4 3 0 0

變化量 2x x 2x 4x

平衡量 4-2x 3-x 2x 4x

x=1

答案為；

(4) 依題意知，3CO2+4e- →2Na2CO3，依據(jù)電子守恒和質(zhì)量守恒，產(chǎn)物中應(yīng)有C、反應(yīng)物中應(yīng)含有Na+，從而得出放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式：4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C，

答案為4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C。