Question

甲烷和氨在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。
（1）制備合成氨原料氣H₂，可用甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化法，主要轉(zhuǎn)化反應(yīng)如下：
CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)   ΔH =" +206.2" kJ/mol
CH₄(g) + 2H₂O(g)  CO₂(g) +4H₂(g)  ΔH = +165.0kJ/mol
上述反應(yīng)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(yīng)生成易除去的CO₂，同時(shí)又可制得等體積的氫氣的方法。此反應(yīng)稱為一氧化碳變換反應(yīng)，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式是                 。
（2）工業(yè)生產(chǎn)尿素的原理是以NH₃和CO₂為原料合成尿素[CO(NH₂)₂]，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2NH₃ (g)+ CO₂ (g) CO(NH₂)₂ (l) + H₂O (l)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)和溫度關(guān)系如下：

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

 
① 反應(yīng)熱ΔH（填“＞”、“＜”或“＝”）_______0。
② 在一定溫度和壓強(qiáng)下，若原料氣中的NH₃和CO₂的物質(zhì)的量之比（氨碳比），下圖是氨碳比（x）與CO₂平衡轉(zhuǎn)化率（α）的關(guān)系。求圖中的B點(diǎn)處，NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率。

（3）已知甲烷燃料電池的工作原理如下圖所示。該電池工作時(shí)，a口放出的物質(zhì)為_________，該電池正極的電極反應(yīng)式為：____          ，工作一段時(shí)間后，當(dāng)3.2g甲烷完全反應(yīng)生成CO₂時(shí)，有         mol 電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。

Answer 1

（16分）
（1）CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol （3分）
（2）① ＜ （2分）
②32%   （計(jì)算過程見解析）
（3）CO₂（2分）    O₂+4e^－+4H⁺=2H₂O（2分）     1.6 （2分）

試題分析：（1）先對(duì)已知熱化學(xué)方程式編號(hào)為①②，觀察發(fā)現(xiàn)②—①可得，CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)，其焓變=②的焓變—①的焓變=ΔH = －41.2 kJ/mol，由此可得一氧化碳交換反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol；（2）①讀表格中信息可得，隨著溫度的升高，該反應(yīng)的平衡常數(shù)逐漸減小，根據(jù)平衡移動(dòng)原理和平衡常數(shù)計(jì)算表達(dá)式可知，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小時(shí)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，因此逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，正反應(yīng)的反應(yīng)熱△H<0；B點(diǎn)的橫坐標(biāo)為4.0，縱坐標(biāo)為64%，依題意可知n(NH₃)/n(CO₂)=4.0，CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率為64%，設(shè)起始時(shí)CO₂的物質(zhì)的量為1mol，則NH₃的物質(zhì)的量為4.0mol，CO₂的變化物質(zhì)的量為0.64mol，則：
2NH₃(g) + CO₂(g)  CO(NH₂)₂(l) + H₂O(l)
起始物質(zhì)的量（mol）   4.0      1.0
變化物質(zhì)的量（mol）   1.28     0.64
平衡物質(zhì)的量（mol）   2.72     0.36
則NH₃的平衡轉(zhuǎn)化率：α（NH₃）= ×100% = 32%
（3）燃料電池工作時(shí)，內(nèi)電路中氫離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負(fù)極，右邊電極為正極，甲烷在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的二氧化碳?xì)怏w難溶于酸性電解質(zhì)溶液，則a口放出的物質(zhì)是二氧化碳?xì)怏w；氧氣在正極上發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)電子、電荷、原子守恒原理可得：O₂+4e^—+4H⁺=2H₂O （注意不能寫成O₂+4e^—+2H₂O=4OH^—，因?yàn)樗嵝噪娊赓|(zhì)溶液中不能大量存在氫氧根離子）；由于甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量為16，則3.2g甲烷的物質(zhì)的量為0.2mol，負(fù)極反應(yīng)式為CH₄—8e^—+2H₂O=CO₂+8H⁺，其中轉(zhuǎn)移電子與甲烷的系數(shù)之比等于物質(zhì)的量之比，則轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1.6mol。