Question

16．甲烷和氨在國民經(jīng)濟中占有重要地位．
（1）制備合成氨原料氣H₂，可用甲烷蒸汽轉化法，主要轉化反應如下：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
上述反應所得原料氣中的CO能使氨合成催化劑中毒，必須除去．工業(yè)上常采用催化劑存在下CO與水蒸氣反應生成易除去的CO₂，同時又可制得等體積的氫氣的方法．此反應稱為一氧化碳變換反應，該反應的熱化學方程式是CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol．
（2）工業(yè)生產尿素的原理是以NH₃和CO₂為原料合成尿素[CO（NH₂）₂]，反應的化學方程式為：2NH₃ （g）+CO₂ （g）?CO（NH₂）₂ （l）+H₂O （l），該反應的平衡常數(shù)和溫度關系如下：

T/℃	165	175	185	195
K	111.9	74.1	50.6	34.8

①反應熱△H（填“＞”、“＜”或“=”）＜0．
②在一定溫度和壓強下，若原料氣中的NH₃和CO₂的物質的量之比（氨碳比）$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=x，下圖是氨碳比（x）與CO₂平衡轉化率（α）的關系．求圖1中的B點處，NH₃的平衡轉化率32%．

（3）已知甲烷燃料電池的工作原理如圖2所示．該電池工作時，a口放出的物質為CO₂，該電池正極的電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，工作一段時間后，當3.2g甲烷完全反應生成CO₂時，有1.6mol 電子發(fā)生轉移．

Answer 1

分析 （1）已知：①．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
②．CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得；CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），其焓變=②的焓變-①的焓變；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，該反應的平衡常數(shù)逐漸減小，說明升高溫度平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動，則正反應是放熱反應；
②B點的橫坐標為4.0，縱坐標為64%，則$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4.0，CO₂的平衡轉化率為64%，設起始時CO₂的物質的量為1mol，則NH₃的物質的量為4.0mol，CO₂的變化物質的量為0.64mol，則：
            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）
起始量（mol）：4.0     1.0     
變化量（mol）：1.28    0.64
平衡量（mol）：2.72    0.36
轉化率=$\frac{物質的量變化量}{起始物質的量}$×100%；
（3）燃料電池工作時，內電路中氫離子從負極向正極移動，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負極，右邊電極為正極，甲烷在負極上發(fā)生氧化反應，生成的二氧化碳氣體難溶于酸性電解質溶液，則a口放出的物質是二氧化碳氣體；氧氣在正極上發(fā)生還原反應，與氫離子結合生成水；
3.2g甲烷的物質的量為0.2mol，結合C元素化合價變化計算轉移電子物質的量．

解答 解：（1）已知：①．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
②．CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②-①可得；CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），其焓變=②的焓變-①的焓變=-41.2 kJ/mol，由此可得一氧化碳交換反應的熱化學方程式為：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol，
故答案為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，該反應的平衡常數(shù)逐漸減小，說明升高溫度平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動，則正反應是放熱反應，則△H＜0，
故答案為：＜；
②B點的橫坐標為4.0，縱坐標為64%，則$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$=4.0，CO₂的平衡轉化率為64%，設起始時CO₂的物質的量為1mol，則NH₃的物質的量為4.0mol，CO₂的變化物質的量為0.64mol，則：
            2NH₃（g）+CO₂（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O（l）
起始量（mol）：4.0    1.0
變化量（mol）：1.28   0.64
平衡量（mol）：2.72   0.36
則NH₃的平衡轉化率：α（NH₃）=$\frac{1.28mol}{4mol}$×100%=32%，
故答案為：32%；
（3）燃料電池工作時，內電路中氫離子從負極向正極移動，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負極，右邊電極為正極，甲烷在負極上發(fā)生氧化反應，生成的二氧化碳氣體難溶于酸性電解質溶液，則a口放出的物質是二氧化碳氣體；氧氣在正極上發(fā)生還原反應，與氫離子結合生成水，正極電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
3.2g甲烷的物質的量為$\frac{3.2g}{16g/mol}$=0.2mol，故轉移電子物質的量為0.2mol×8=1.6mol，
故答案為：CO₂；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；1.6．

點評 本題考查化學反應原理，涉及蓋斯定律、熱化學方程式的書寫、溫度對平衡移動的影響、平衡常數(shù)、平衡轉化率的計算、原電池等，注意（3）中正極反應式不能寫成O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，因為酸性電解質溶液中不能大量存在氫氧根離子．