Question

【題目】I．據(jù)報道，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰(甲烷的水合物)試采獲得成功。甲烷是一種重要的化工原料。

(1)甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，除部分氧化外還有以下兩種：

水蒸氣重整：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol ①

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.2 kJ/mol ②

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g)CO(g)+2H2(g) △H3 ③

則反應①自發(fā)進行的條件是______________ ΔH3=________ kJ/mol。

Ⅱ．氮的化合物以及氮的固定一直是科學家研究的重要課題，合成氨則是人工固氮比較成熟的技術(shù)，其原理為N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。

(2)在不同溫度、壓強和相同催化劑條件下，初始N2、H2分別為0.1 mol、0.3 mol時，平衡后混合物中氨的體積分數(shù)(φ)如圖所示。

①其中，p1、p2和p3由大到小的順序是____________，該反應ΔH_______0(填“>”“<”或“=”)。

②若分別用 vA(N2)和 vB(N2)表示從反應開始至達平衡狀態(tài) A、B 時的化學反應速率，則vA(N2)________vB(N2)(填“>”“<”或“=”)。

③若在250℃、p1為10 5Pa條件下，反應達到平衡時容器的體積為1 L，則該條件下B點N2的分壓p(N2)為_______Pa (分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)，保留一位小數(shù))。

(3)以NO2、O2、熔融NaNO3組成的燃料電池裝置如下圖所示，石墨Ⅱ的電極名稱為 _______。在使用過程中石墨Ⅰ電極反應生成一種氧化物Y，石墨Ⅰ電極反應可表示為______________________。

Answer 1

【答案】高溫 +247.1 p1>p2>p3 < < 8.3×103 正極 NO2-e-+NO3-=N2O5

【解析】

Ⅰ．(1)根據(jù)反應①的△H和△S分析自發(fā)性的條件，根據(jù)已知焓變的熱化學方程式，結(jié)合蓋斯定律計算所求反應的焓變；

Ⅱ．(2)①發(fā)生反應為N2+3H22NH3，隨著反應進行，氣體分子數(shù)減少，體系壓強減少，根據(jù)圖象分析；

②溫度升高，化學反應速率增大；

③根據(jù)方程式計算B點N2的分壓p(N2)，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)；

(3)在燃料電池中，通入燃料的電極為負極，失去電子，發(fā)生氧化反應，通入氧氣的電極為正極，得到電子發(fā)生還原反應，結(jié)合電解質(zhì)及產(chǎn)生的物質(zhì)書寫電極反應式。

I．(1)反應①方程式CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol，可知該反應的正反應△H>0，△S>0，滿足△H-T△S<0，因此反應自發(fā)進行的條件是高溫；

①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol，

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.2 kJ/mol，

根據(jù)蓋斯定律計算，①-②得到反應③的熱化學方程式為：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)△H3=△H1-△H2=+247.1 kJ/mol；

II．(2)①由N2+3H22NH3可知，在溫度不變時，增大壓強，化學平衡正向移動，NH3的含量增大。由圖象可知在相同溫度下，平衡后混合物中氨的體積分數(shù)(φ)為p1>p2>p3，因此壓強關(guān)系是p1>p2>p3；

在壓強相同時，升高溫度，NH3的含量降低，說明升高溫度，化學平衡向逆反應方向移動，根據(jù)平衡移動原理，升高溫度，化學平衡向吸熱反應分析移動，逆反應為吸熱反應，則該反應的正反應為放熱反應，故反應熱小于零，該反應ΔH<0；

②溫度越高，壓強越大，反應速率越大，由于p1>p2，由圖可知，B對應的溫度高、壓強大，所以反應速率B>A，即vA(N2)<vB(N2)；

③設轉(zhuǎn)化的氮氣的物質(zhì)的量為x，發(fā)生的反應為：N2+3H22NH3，由于反應開始時n(N2)=0.1 mol，n(H2)=0.3 mol，根據(jù)物質(zhì)反應轉(zhuǎn)化關(guān)系可知：平衡時各種氣體的物質(zhì)的量分別為n(N2)=(0.1-x) mol，n(H2)=(0.3-3x) mol，n(NH3)=2x mol，在相同外界條件下氣體的體積比等于氣體的物質(zhì)的量的比，所以=0.667，解得x=0.08，若在250℃、p1為105Pa條件下，反應達到平衡時容器的體積為1 L，則該條件下B點N2的分壓p(N2)= Pa=8.3×103Pa；

(3)根據(jù)圖示可知：在石墨電極II一側(cè)通入O2，為原電池的正極；在石墨電極I一側(cè)通入燃料，為原電池的負極，NO2失去電子變?yōu)?/span>NO3-，負極的電極反應式為：NO2-e-+NO3-=N2O5。