Question

12．天然氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種重要的燃料和基礎(chǔ)化工原料．
（1）以甲烷和水為原料可制取甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
則CH₄（g）+H₂O（g）?CH₃OH（g）+H₂（g）的△H=+77.0kJ/mol；
（2）反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）可用于制取合成氨的原料氣H₂．
T℃時(shí)，將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入10L的密閉容器，經(jīng)5min達(dá)到平衡狀態(tài)，CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%，則用H₂表示的反應(yīng)速率v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，該溫度時(shí)的平衡常數(shù)K=2.25×10^-2；
（3）納米氧化亞銅是一種新型的p型半導(dǎo)體材料，具有活性的空穴-電子對(duì)和良好的催化活性，因其獨(dú)特的性質(zhì)在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用．工業(yè)上可用電解法制取納米Cu₂O（2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂O+H₂↑）．某化學(xué)興趣小組的同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖所示裝置，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)．

該裝置利用甲烷燃燒電池來(lái)提供電能，燃料電池負(fù)極通入的氣體是甲烷；裝置中Cu電極的名稱(chēng)是陽(yáng)極，該極的電極反應(yīng)式為H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺．若反應(yīng)過(guò)程中消耗準(zhǔn)狀況下336mLCH₄，理論上可得到8.64gCu₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)蓋斯定律，目標(biāo)反應(yīng)的反應(yīng)熱為①-②；
（2）列三段式表示各物質(zhì)起始量、轉(zhuǎn)化量、平衡量；依據(jù)反應(yīng)速率計(jì)算公式V=$\frac{△C}{△t}$計(jì)算解答；依據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)；
（3）燃料電池負(fù)極通入的氣體是甲烷，通氧氣為燃料電池的正極，與正極相連的銅是電解池的陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cu₂O，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等求氧化亞銅的質(zhì)量．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律，①-②得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+206.0kJ/mol-（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol；
故答案為：+77.0；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
則用H₂表示該反應(yīng)的平衡反應(yīng)速率V（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1；
T℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.05mol/L，c（H₂O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H₂）=0.15mol/L，
所以該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.05×0.1{5}^{3}}{0.05×0.15}$=2.25×10^-2；
故答案為：2.25×10^-2；
（3）燃料電池負(fù)極通入的氣體是甲烷，通氧氣為燃料電池的正極，與正極相連的銅是電解池的陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cu₂O，電極反應(yīng)式為：H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺，
CH₄～～～8e-～～～4Cu₂O
22.4×10³        4×144
336mL             m
所以$\frac{22.4×1{0}^{3}}{336}$=$\frac{4×144}{m}$，解之得m=8.64g，
故答案為：甲烷；陽(yáng)極；H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺；8.64．

點(diǎn)評(píng) 本題為綜合題，考查了蓋斯定律的應(yīng)用、反應(yīng)速率、平衡常數(shù)的計(jì)算，熟悉熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)的方法及蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱的方法、明確電化學(xué)的反應(yīng)原理是解題的關(guān)鍵，題目難度較大．