Question

研究CO₂與CH₄，反應使之轉(zhuǎn)化為CO和H₂，對減緩燃料危機、減小溫室效應具有重要的意義。
（1）已知：2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g） △H＝－566kJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）  △H＝－484kJ/mol
CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g） △H＝－890kJ/mol
則：CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）△H＝____________。

(2)在密閉容器中通人物質(zhì)的量濃度均為0.1mol/L的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強的關(guān)系如圖1：
①下列事實能說明該反應一定達到平衡的是    。
a．CO₂的濃度不再發(fā)生變化
b．υ_正（CH₄）＝2υ_逆（CO）
c．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不發(fā)生變化
d．CO與H₂的物質(zhì)的量比為1:1
②據(jù)圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序為     。
③在壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡x點，則用CO表示該反應的速率為    ，該溫度下，反應的平衡常數(shù)為     。
(3)用CO與H₂可合成甲醇(CH₃OH)，以甲醇和氧氣反應制成的燃料電池如圖2所示，該電池工作程中O₂應從     (填“c或一b”)口通人，電池負極反應式為                 ，若用該電池電解精煉銅，每得到6. 4g銅，轉(zhuǎn)移電子數(shù)目為        。

Answer 1

（16分）（1）＋160kJ/mol（2分） （2）①a、c（2分） ②P₄＞P₃＞P₂＞P₁（2分）
③0.032mol/(L?min)；1.64（2分）
（3）c（2分）；CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺（2分）；1.204×10²³或0.2N_A（2分）

試題分析：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g） △H＝－566kJ/mol、②2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）  △H＝－484kJ/mol、③CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g） △H＝－890kJ/mol，因此根據(jù)蓋斯定律可知，③－①－②即得反應CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），所以該反應的反應熱△H＝－890kJ/mol＋566kJ/mol＋484kJ/mol＝＋160kJ/mol。
（1）①在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學平衡狀態(tài)。根據(jù)方程式CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）可知，該反應是體積增大的可逆反應，則a．平衡時反應混合物各組分的濃度不變，CO₂的濃度不再發(fā)生變化，說明到達平衡，故a正確；b．υ_正(CH₄)＝2υ_逆(CO)，則υ_正(CH₄):υ_逆(CO)＝2:1，不等于化學計量數(shù)之比，未處于平衡狀態(tài)，正反應速率大于逆反應速率，平衡向正反應進行，故b錯誤；c．混合氣的平均相對分子質(zhì)量是混合氣的質(zhì)量和混合氣的總的物質(zhì)的量的比值。反應混合物的總質(zhì)量不變，隨反應進行，反應混合物的總的物質(zhì)的量增大，平均相對分子質(zhì)量減小，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不發(fā)生變化，說明到達平衡，故c正確；d．CO與H₂的化學計量數(shù)為1:1，反應數(shù)值按物質(zhì)的量比為1:1進行，不能說明到達平衡，故d錯誤，答案選ac。
②根據(jù)圖可知，溫度一定時，甲烷的轉(zhuǎn)化率α(P₁)＞α(P₂)＞α(P₃)＞α(P₄)。由于該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序為P₄＞P₃＞P₂＞P₁。
③根據(jù)圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，此時甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，因此甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%＝0.08mol/L，故v(CH₄)＝＝0.016mol/(L?min)。根據(jù)速率之比等于化學計量數(shù)之比可知，v(CO)＝2v v(CH₄)＝2×0.016mol/(L?min)＝0.032mol/(L?min)。
CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）
起始濃度（mol/L）  0.1      0.1        0        0
轉(zhuǎn)化濃度（mol/L）  0.08     0.08       0.16     0.16
平衡濃度（mol/L）  0.02     0.02       0.16     0.16
所以該溫度下平衡常數(shù)K＝＝＝1.64
（3）由圖2可知，氫離子由左邊轉(zhuǎn)移到右邊，左邊有氣體生成，故左邊發(fā)生氧化反應，右邊發(fā)生還原反應，反應中氧氣得到電子，發(fā)生還原反應，故氧氣在c口通入，電極總反應式為 2CH₃OH＋3O₂＝2CO₂↑＋4H₂O，正極電極反應式為3O₂＋12H⁺＋12e^－＝6H₂O，總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式為：CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺。銅的物質(zhì)的量為6.4g÷64g/mol＝0.1mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，轉(zhuǎn)移電子等于銅離子轉(zhuǎn)化為銅獲得的電子，故轉(zhuǎn)移電子數(shù)目為0.1mol×2×N_Amol^－1＝0.2N_A。