Question

12．CO₂和CH₄均為溫室氣體，若得以綜合利用，對于溫室氣體的整治具有重大意義．
（1）已知：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H═+247.3kJ/mol 
CH₄（g）═C（s）+2H₂ （g）△H═+75KJ/mol
反應(yīng)2CO（g）?C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發(fā)進行的原因是該反應(yīng)中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行
（2）合成甲醇的主要反應(yīng)是CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．壓強為P₁時，向體積為2L的密閉容器中充人b mol CO和2b mol H₂，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖1所示．請回答：
①該反應(yīng)屬于放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)；
P₁＜P₂（填“＞”、“＜”或“=”）．200℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{4}{^{2}}$（用含b的代數(shù)式表示）．
②若200℃時，上述反應(yīng)經(jīng)過tmin達到平衡，則該時間段內(nèi)氫氣的平均反應(yīng)速率為$\frac{2t}$mol/（L．min）．
（3）以滲透于多孔基質(zhì)的惰性導(dǎo)電物質(zhì)材料為電極，用35%～50%KOH為電解液，甲烷和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，該電池負極的電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O
（4）以甲烷燃料電池做電源，用如圖2所示裝置，在實驗室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中，發(fā)現(xiàn)溶液逐漸變渾濁，用離子方程式表示沉淀產(chǎn)生的原因是Al³⁺+3HCO₃^-═Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）已知25℃時，Al（OH）₃的Ksp=8.0×10 ^-33．若使某鋁鹽溶液中的Al³⁺降至1.0×10^-6 mol．L^-l時，則需調(diào)節(jié)溶液的pH至5.3  （已知lg5=0.7）．

Answer 1

分析 （1）CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H═+247.3kJ/mol ①
CH₄（g）═C（s）+2H₂ （g）△H═+75kJ/mol②
將方程式②-①得2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H═（+75kJ/mol）-（+247.3kJ/mol ）=-172.3kJ/mol，
該反應(yīng)的△H＜0、△S＜0，如果△H-T△S＜0就能自發(fā)進行；
（2）①相同壓強下，升高溫度CO轉(zhuǎn)化率降低，平衡逆向移動；
該反應(yīng)前后氣體計量數(shù)之和減小，增大壓強CO轉(zhuǎn)化率增大；
200℃時，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，根據(jù)平衡常數(shù)的定義計算平衡常數(shù)；
②若200℃時，上述反應(yīng)經(jīng)過tmin達到平衡，氫氣轉(zhuǎn)化的溶液為6mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算；
（3）甲烷和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，負極上甲烷失電子生成碳酸根離子，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式；
（4）根據(jù)裝置圖，陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應(yīng)；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可計算出氫氧根離子的濃度，進而確定溶液的pH值．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定很，將②-①得反應(yīng)2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，而該反應(yīng)△S＜0，所以該反應(yīng)在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行，
故答案為：該反應(yīng)中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行；
（2）①根據(jù)圖可知，溫度越高，CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)圖相同溫度時P₂的CO的轉(zhuǎn)化率大于P₁，而該反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，壓強越大，CO的轉(zhuǎn)化率越高，所以P₁＜P₂，200℃時，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，所以平衡常數(shù)K=$\frac{0.25b}{0.25b×（0.5b）^{2}}$=$\frac{4}{^{2}}$，
故答案為：放；＜；$\frac{4}{^{2}}$；
②若200℃時，上述反應(yīng)經(jīng)過tmin達到平衡，氫氣轉(zhuǎn)化的濃度為0.5bmol/L，所以該時間段內(nèi)氫氣的平均反應(yīng)速率為$\frac{0.5b}{t}$ mol/（L•min）=$\frac{2t}$mol/（L•min），
故答案為：$\frac{2t}$mol/（L•min）；
（3）甲烷和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，負極上甲烷失電子生成碳酸根離子，負極的電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
（4）鋁作陽極，陽極上電極反應(yīng)式為Al=Al³⁺+3e^-；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可知，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{8.0×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}}$=2×10^-9，所以c（H⁺）=5×10^-6，pH值為6-lg5=5.3，
故答案為：5.3．

點評 本題考查了反應(yīng)進行的方向、影響平衡移動的因素、反應(yīng)速率的計算、原電池和電解池原理、溶液的pH值的計算等，為高頻考點，明確化學平衡移動原理及各個電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是解本題關(guān)鍵，難點是鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解的反應(yīng)，題目難度中等．