【題目】對甲烷和CO2的高效利用不僅能緩解大氣變暖,而且對日益枯竭的石油資源也有一定的補充作用,甲烷臨氧耦合CO2重整反應(yīng)有:

反應(yīng)(i):2CH4(g)O2(g)2CO(g)4H2(g) H=71.4kJmol-1

反應(yīng)(ii):CH4(g)CO2(g)2CO(g)2H2(g) H=+247.0kJmol-1

1)寫出表示CO燃燒熱的熱化學方程式:_____。

2)在兩個體積均為2L的恒容密閉容器中,起始時按表中相應(yīng)的量加入物質(zhì),在相同溫度下進行反應(yīng)(ii):CH4(g)CO2(g)2CO(g)2H2(g)(不發(fā)生其它反應(yīng)),CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如下表所示:

起始物質(zhì)的量(n)/mol

CO2的平衡轉(zhuǎn)化率

CH4

CO2

CO

H2

0.1

0.1

0

0

50%

0.1

0.1

0.2

0.2

/

①下列能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)是_____。

A.v(CH4)=2v(CO)

B.容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器內(nèi)混合氣體的總壓強不再變化

D.容器內(nèi)混合氣體密度保持不變

②若容器Ⅰ內(nèi)反應(yīng)從開始到平衡所用的時間為tmin,則tmin內(nèi)該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為:v(H2)=____(用含t的表達式表示)。

③達到平衡時,容器Ⅰ、Ⅱ內(nèi)CO的物質(zhì)的量的關(guān)系滿足:2n(CO)___n(CO)(填、)。

3)將CH4(g)O2(g)以物質(zhì)的量比為43充入盛有催化劑的恒容密閉容器內(nèi),發(fā)生上述反應(yīng)(i):2CH4(g)O2(g)2CO(g)4H2(g)CO的體積分數(shù)[ψ(CO)]與溫度(T)的關(guān)系如圖如示。

T2℃時,CO體積分數(shù)最大的原因是____

②若T2℃時,容器內(nèi)起始壓強為P0,平衡時CO的體積分數(shù)為20%,則反應(yīng)的平衡常數(shù)KP=___(用平衡分壓強代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù))。

42016年我國科研人員根據(jù)反應(yīng)Na+CO2→Na2CO3+C(未配平)研制出一種室溫可呼吸”Na-CO2電池。放電時該電池吸入”CO2,充電時呼出”CO2。其放電時的工作原理如圖所示,已知吸收的全部CO2中,有轉(zhuǎn)化為Na2CO3固體沉積在多壁碳納米管(MWCNT)電極表面,寫出放電時正極的電極反應(yīng)式:___。

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g)H=-282.7kJmol-1 C mol/(Lmin) 低于T2時,反應(yīng)未達平衡,相同時間內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快,CO的體積分數(shù)就越高;高于T2時,反應(yīng)達到平衡,因正反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動,故溫度越高,CO的體積分數(shù)就越; 4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(3CO2+4e-=2CO32-+C)

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律計算出焓變,繼而寫出熱化學方程式;

(2)①反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時,正逆反應(yīng)速率相等,各物質(zhì)的濃度、百分含量不變,以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化,解題時要注意,選擇判斷的物理量,隨著反應(yīng)的進行發(fā)生變化,當該物理量由變化到定值時,說明可逆反應(yīng)到達平衡狀態(tài)。

②根據(jù)計算tmin內(nèi)v(H2);

③將容器內(nèi)的物料進行一邊倒,通過等效平衡思想進行分析;

(3)①沒有達到平衡狀態(tài)時,溫度升高、反應(yīng)速率加快,當達到平衡狀態(tài)后,升高溫度平衡向著逆向移動,據(jù)此分析;

②恒容密閉容器中壓強之比等于物質(zhì)的量之比,等于濃度之比,CH4(g)O2(g)的物質(zhì)的量之比為43,可先假設(shè)CH4物質(zhì)的量為4xO23x,平衡時生成CO的物質(zhì)的量為ymol,利用三段式求解;

(4)放電時正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)。

(1)反應(yīng)(i)2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)H=-71.4kJmol-1
反應(yīng)(ii)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)H=+247.0kJmol-1
根據(jù)蓋斯定律[反應(yīng)(i)-反應(yīng)(ii)]可得CO(g)+O2(g)=CO2(g)的△H=[-71.4kJmol-1-(+247.0kJmol-1)×2]=-282.7kJmol-1,即CO燃燒熱的熱化學方程式為CO(g)+O2(g)=CO2(g)H=-282.7kJmol-1
故答案為:CO(g)+O2(g)=CO2(g)H=-282.7kJmol-1;

(2)在容器Ⅰ(體積為2L)中反應(yīng)三段式為:

A.反應(yīng)平衡時v(CH4)=v(CH4) ,2v(CH4)=v(CO),所以平衡時2v(CH4)=v(CO),故A錯誤;

B. 由反應(yīng)三段式計算該溫度下的平衡常數(shù)K= ,而c(CH4)c(CO2)=c2(CO)c2(H2)的狀態(tài)有:濃度熵Qc=1K,反應(yīng)逆向進行,即不是平衡狀態(tài),故B錯誤;
C.反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)是氣體體積變化的反應(yīng),反應(yīng)進行時氣體總物質(zhì)的量發(fā)生變化,容器中壓強也發(fā)生變化,所以容器內(nèi)混合氣體的總壓強不再變化的狀態(tài)是平衡狀態(tài),故C正確;
D.反應(yīng)體系中各物質(zhì)均為氣體,則混合氣體的質(zhì)量m不變,恒溫恒容條件下V不變,根據(jù)可知,容器內(nèi)密度始終不變,所以容器內(nèi)混合氣體密度保持不變的狀態(tài)不一定是平衡狀態(tài),故D錯誤;
故答案為:C;

②由反應(yīng)三段式可知,△c(H2)=0.05mol/L,所以tmin內(nèi)v(H2)=mol/(Lmin),
故答案為:mol/(Lmin);
③恒溫恒容條件下,0.1molCH4(g)、0.1molCO2(g)0.2molCO(g)、0.2molH2(g)的反應(yīng)體系II等效于0.2molCH4(g)、0.2molCO2(g)的反應(yīng)體系,若二者達到等效平衡,則2n(CO)=n(CO),但實際上0.2molCH4(g)0.2molCO2(g)的反應(yīng)體系相當2個容器I的體系合并后壓縮,則平衡逆向逆向移動、CO物質(zhì)的量減小,所以2n(CO)n(CO),故答案為:>;

(3)①溫度低于T2時,反應(yīng)未達平衡,溫度升高、反應(yīng)速率加快,相同時間段內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快,則CO的體積分數(shù)越大;在溫度為T2時,反應(yīng)達到平衡,由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng),溫度升高,平衡逆向移動,CO的體積分數(shù)減小,所以T2CO的體積分數(shù)最大,也可能是T0時催化劑的催化活性最高,反應(yīng)速率最快,故答案為:低于T2時,反應(yīng)未達平衡,相同時間內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快,CO的體積分數(shù)就越高;高于T2時,反應(yīng)達到平衡,因正反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動,故溫度越高,CO的體積分數(shù)就越;

CH4(g)O2(g)的物質(zhì)的量之比為43,設(shè)CH4物質(zhì)的量為4xO23x,平衡時生成CO的物質(zhì)的量為ymol,列三段式:

CO的平衡體積分數(shù)為20%,則:×100%=20%,解得:y=2x,
平衡時混合氣體的總物質(zhì)的量為:7x+1.5y=10x,反應(yīng)前總物質(zhì)的量為7xmol,恒溫恒容條件下,氣體的壓強與物質(zhì)的量成正比,T2時容器內(nèi)起始壓強為p0,則平衡時壓強為: ,平衡時各氣體的分壓:平衡時p(CH4)=p(O2)=p(CO)=,p(H2)=,所以平衡常數(shù) ,故答案為:

(4) 由原電池反應(yīng)Na+CO2→Na2CO3+C可知,吸入CO2得電子生成CNa2CO3,為正極,電極反應(yīng)式為4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(3CO2+4e-=2CO32-+C),
故答案為:4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(3CO2+4e-=2CO32-+C)

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Zn2HCl=ZnCl2H2__;

2HClH2Cl2__。

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