Question

工業(yè)上使用石油熱裂解的副產物CH₄來制取CO和H₂，其生產流程如圖：

（1）此流程的第I步反應為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），一定條件下CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖1．則P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”）．

100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉化率為0.5．此時該反應的平衡常數K=

 

．
（2）此流程的第II步反應的平衡常數隨溫度的變化如下表：

溫度/℃	400	500	830
平衡常數K	10	9	1

從上表可以推斷：該反應是

 

反應（填“吸熱”或“放熱”）．
如圖2表示該反應在t₁時刻達到平衡，在t₂時刻因改變某個條件引起濃度變化的情況，圖中t₂時刻發(fā)生改變的條件是

 

（寫出一種）．
（3）工業(yè)上常利用第Ⅰ步反應產生的CO和H₂在“催化反應室”中合成二甲醚（CH₃OCH₃）．
在催化反應室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進行下列反應：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
催化反應室中總反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

 

．
（4）用二甲醚-空氣堿性（KOH）燃料電池作電源電解精煉粗銅（如圖3），在接通電路一段時間純銅質量增加6.4g．請寫出燃料電池中的負極反應式：

 

．燃料電池正極消耗空氣的體積是

 

L（標準狀況，空氣中O₂體積分數以20%計算）．

Answer 1

考點：化學平衡的影響因素,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學電源新型電池,化學平衡常數的含義

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）采取控制變量法分析，由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉化率高，反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；依據化學平衡三段式列式計算平衡濃度結合平衡常數概念計算得到，平衡常數隨溫度變化；
（2）分析圖表數據可知平衡常數隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應是放熱反應；在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，結合平衡移動原理分析；
（3）根據蓋斯定律結合已知反應來書寫熱化學方程式，加減法求焓變；
（4）燃料電池中，負極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應，正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應，根據氧氣和空氣之間的組成關系來回答．

解答： 解：（1）由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉化率高，平衡向正反應方向移動，反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即P₁＜P₂；100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉化率為0.5，
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）    0.01    0.02       0      0
變化量（mol/L）   0.005   0.005     0.005   0.015
平衡量（mol/L）   0.005   0.015     0.005   0.015
平衡常數K=

c(CO)c3(H2)

c(CH4)c(H2O)

=

0.005×(0.015)3

0.005×0.015

=2.25×10^-4（mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
（2）分析圖表數據可知平衡常數隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應是放熱反應；CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），反應是氣體體積不變的放熱反應，在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，說明平衡正向進行，降低溫度，或增加水蒸氣的量或減少氫氣的量均可以實現(xiàn)，
故答案為：放熱；降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol，
反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以根據①×2+③+②得到，得出此反應的△H=-246.1kJ/mol，
故答案為：-246.1kJ/mol；
（4））燃料電池中，負極上是燃料甲醚發(fā)生失電子的氧化反應，在堿性環(huán)境下，發(fā)生的反應為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，燃料電池正極上發(fā)生的電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，純Cu是陰極，該極上析出金屬銅，當質量增加6.4g，轉移電子為0.2mol，此時正極上消耗氧氣的物質的量是0.05mol，所以需要空氣的體積是0.05mol×5×22.4L/mol=5.6L，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；5.6．

點評：本題考查了化學平衡的分析判斷，圖象分析方法，平衡常數的計算應用，平衡移動原理的理解和影響因素的分析是解題關鍵，題目難度適中．