Question

7．CH₄和H₂O（g）可發生催化重整反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．
（1）每消耗8gCH₄轉移3mol電子．
（2）已知：①2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₁=akJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=ckJ•mol^-1
④CH₄（g）+2H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₄
由此計算△H₄=c+3b-2akJ•mol^-1．
（3）T℃時，向1L恒容密閉容器中投入1molCH₄和1molH₂O（g），發生反應：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）
經過tmin，反應達到平衡．已知平衡時，c（CH₄）=0.5mol•L^-1
①0～tmin內，該反應的平衡反應速率v（H₂）=$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min）．
②T℃時，該反應的平衡常數K=6.75．
③當溫度升高到（T+100）℃時，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，則該反應是吸熱反應（填“吸熱”或“放熱”）．
（4）一種熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理示意圖如圖：
①該放電過程中K⁺和Na⁺向電極B（填“A”或“B”）移動．
②該電池的負極反應式為3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂．

Answer 1

分析 （1）H₂O將CH₄氧化為CO，反應中C元素化合價由-4價升高為+2價，化合價總共升高6價，該反應中轉移6e^-，結合n=$\frac{m}{M}$解答；
（2）根據已知方程式構建目標方程式④，根據蓋斯定律計算反應熱；
（3）①根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）；
②化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值；
③當溫度升高到（T+100）℃時，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，CO濃度增多，所以平衡向正反應方向移動，升高溫度平衡向吸熱的方向移動，據此分析解答；
（4）CH₄+2H₂O?CO+3H₂，原電池工作時，CO和H₂失電子在負極反應，則A為負極，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，正極B上為氧氣得電子生成CO₃^2-，以此解答該題．

解答 解：（1）8gCH₄的物質的量為n=$\frac{m}{M}$=$\frac{8g}{16g/mol}$=0.5mol，CH₄和H₂O（g）可發生催化重整反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），反應中C元素化合價由-4價升高為+2價，化合價總共升高6價，該反應中轉移6e^-，則0.5molCH₄反應轉移3mol電子，
故答案為：3；
（2）①2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₁=akJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=ckJ•mol^-1
根據蓋斯定律可知：③+②×3-①×2，得到④CH₄（g）+2H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）所以△H₄=（c+3b-2a）kJ•mol^-1，
故答案為：c+3b-2a；
（3）①向1L恒容密閉容器中投入1molCH₄和1molH₂O（g），發生反應：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g），反應開始c（CH₄）=1mol•L^-1，經過tmin，反應達到平衡．已知平衡時，c（CH₄）=0.5mol•L^-1，v（CH₄）=$\frac{0.5mol/L}{tmin}$=$\frac{0.5}{t}$mol/（L•min），速率之比等于化學計量數之比，則v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{0.5}{t}$mol/（L•min）=$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min），
故答案為：$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min）；
②T℃時，1L恒容密閉容器中CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）
                  起始量（mol）：1             1         0            0
                 變化量（mol）：0.5        0.5       0.5           1.5
                 平衡量（mol）：0.5         0.5      0.5           1.5
平衡常數K=$\frac{C（CO）×C（{H}_{2}）}{C（C{H}_{4}）×C（{H}_{2}O）}$=$\frac{（\frac{1.5}{t}）^{3}×（\frac{0.5}{t}）}{\frac{0.5}{t}×\frac{0.5}{t}}$=$\frac{6.75}{{t}^{2}}$=6.75，
故答案為：6.75；
③升高溫度平衡向吸熱的方向移動，T℃時，容器中c（CO）=0.5mol•L^-1，當溫度升高到（T+100）℃時，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，CO濃度增多，平衡向正反應方向移動，所以正反應為吸熱反應，
故答案為：吸熱；
（4）①原電池工作時，CO和H₂失電子在負極反應，則A為負極，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，電池工作時，陽離子向正極移動，B為正極，即K⁺和Na⁺向電極B移動，
故答案為：B；
②甲烷和水蒸氣反應CH₄+2H₂O?CO+3H₂，原電池工作時，A為負極，負極上CO和H₂失電子發生了氧化反應，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，電極反應為：3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂，B為正極，正極為氧氣得電子生成CO₃^2-，反應為2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-，
故答案為：3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂．

點評 本題考查了反應熱的計算、化學平衡的影響因素、化學電源新型電池，掌握蓋斯定律的應用、化學平衡移動的影響因素、明確原電池中物質得失電子、電子流向、離子流向即可解答，難點是電極反應式書寫，要根據電解質確定正負極產物，題目難度中等．