Question

15．CH₄是一種重要的化石燃料，在工農業(yè)生產中有著極其重要的應用．用甲烷可以消除氮氧化物的污染，其反應如下：
CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）．
在130℃和180℃時，分別將0.50mol CH₄和a mol NO₂充入1L的密閉容器中發(fā)生反應，測得有關數(shù)據(jù)如表：

實驗編號	溫度	時間/min 物質的量	0	10	20	40	50
1	130℃	n（CH4）/mol	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
2	180℃	n（CH4）/mol	0.50	0.30	0.18	x	0.15

（1）130℃時，達到平衡狀態(tài)時CH₄的轉化率為80%．當溫度為180℃、反應到40min時，該反應是（填“是”或“否”）達到平衡，推斷的依據(jù)是溫度升高，反應加快，對比實驗1，高溫下比低溫下更快達到平衡狀態(tài)．
（2）由表中數(shù)據(jù)分析可知，該反應的△H＜0（填“=”、“＞”或“＜”），130℃和180℃平衡常數(shù)的關系：K_（130℃）＞K_（180℃）（填“=”、“＞”或“＜”）．
（3）如圖1所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現(xiàn)鐵棒上鍍銅．

①a電極上發(fā)生反應的電極反應式是CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
②電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
③若完全反應后，裝置Ⅱ中Cu極質量減少12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷1.12L（標準狀況下）．
（4）用甲烷制取氫氣的反應分為兩步，其能量變化如圖2所示：
寫出甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)CH₄的轉化率=$\frac{轉化量}{起始量}$×100%進行計算；根據(jù)溫度對反應速率的影響判斷；
（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)130℃和180℃平衡時CH₄的量進行分析；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；②根據(jù)I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；③根據(jù)轉移電子相等計算消失甲烷的體積；
（4）據(jù)圖寫出熱化學方程式，再根據(jù)蓋斯定律來計算反應的焓變，根據(jù)熱化學方程式的書寫規(guī)律來書寫熱化學方程式．

解答 解：（1）根據(jù)圖表數(shù)據(jù)可知，130℃時，達到平衡狀態(tài)時CH₄的物質的量為0.10mol，故轉化率=$\frac{轉化量}{起始量}$×100%=$\frac{0.50-0.10}{0.50}$×100%=80%，
對比實驗1知，40時該反應已經達到平衡狀態(tài)，溫度越高，反應速率越大，反應到達平衡的時間越短，所以40時實驗2已經達到平衡狀態(tài)，
故答案為：80%；是；溫度升高，反應加快，對比實驗1，高溫下比低溫下更快達到平衡狀態(tài)；
（2）根據(jù)表格數(shù)據(jù)及（1）中的答案發(fā)現(xiàn)，平衡時130℃比180℃甲烷的轉化率高，說明溫度越低，平衡越像正反應方向移動，所以正反應為放熱反應；
溫度越低，平衡越像正反應方向移動，說明溫度低時平衡常數(shù)大；
故答案：＜；＞；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑，所以a處通入的氣體是甲烷；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根據(jù)I中電池反應為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應導致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減小，故答案為：減��；
③串聯(lián)電路中轉移電子相等，所以消耗甲烷的體積=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol}×2}{8}$×22.4L/mol=1.12L，故答案：1.12；
（4）根據(jù)第一步反應過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2KJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡的判斷、外界條件對反應速率及化學平衡的影響、蓋斯定律以及原電池和電解池原理，為高考常見題型，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，注意根據(jù)電解池中Cu、Fe電極上發(fā)生的反應確定燃料電池中正負極及電極上通入的氣體，再結合轉移電子相等計算，難點是電極反應式的書寫．