Question

甲烷作為一種新能源在化學領域應用廣泛，請回答下列問題：
（1）以天然氣為原料制H₂是合成氨的一條重要的路線．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料氣H₂，其反應式如下：
①CH₄（g）+1/2O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ?mol^-1
試判斷常溫下，上述反應能否自發進行：

 

（填”能”或”否”）．有研究認為甲烷部分氧化的機理為：
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO2（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ?mol^-1
請結合以上條件寫出CH₄和H2O（g）生成CO和H₂的熱化學反應方程式：

 

（2）恒溫下，向一個2L的密閉容器中充入1molN₂和2.6molH₂，反應過程中對NH₃的濃度進行檢測，得到的數據如下表所示：
實驗數據

時間/min	5	10	15	20	25	30
c（NH3）/（ mol?/L-1）	0.08	0.14	0.18	0.20	0.20	0.20

此條件下，該反應達到化學平衡時，氮氣的濃度為

 

（3）如圖所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現鐵棒上鍍銅．
①b處電極上發生的電極反應式是．

 

②電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH

 

（填寫“變大”、“變小”或“不變”，下同），裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質的量濃度

 

．
③若完全反應后，裝置Ⅱ中陰極質量增加12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷

 

L （標準狀況下）．

Answer 1

考點：熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡建立的過程

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據反應能否自發進行的判據：△H-T△S＜0反應能自發進行來判斷；根據蓋斯定律來計算反應的焓變；
（2）根據“三行計算法”來確定反應達到化學平衡時氮氣的濃度；
（3）圖Ⅰ為原電池，為甲烷燃燒電池，燃料甲烷做原電池負極反應物失電子發生氧化反應，圖Ⅱ為電解池，鐵棒鍍銅，推斷鐵做電解池陰極，銅做電解池陽極；a為原電池負極，b為原電池正極；
①b處是氧氣得到電子發生的電極反應；
②原電池反應是堿性溶液中進行消耗氫氧根生成水，溶液PH減小；裝置Ⅱ是電鍍陽極電極反應可知，銅離子濃度不變；
③依據原電池和電解池中電子守恒計算消耗甲烷的體積．

解答： 解：（1）反應CH₄（g）+

1

2

O₂ （g）=CO （g）+2H₂（g）的△H₁=-35.6kJ?molˉ¹＜0．△S＞0根據反應能否自發進行的判據：△H-T△S可推知該數值一定是小于0，故反應能自發進行，能，根據反應①②③，結合蓋斯定律，可知反應CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H=①×2-②×

1

2

-③×=250.3kJ?mol^-1；
故答案為：能；CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ?mol^-1；
（2）根據反應N₂ +3H₂ ?2NH₃
初始濃度：0.5    1.3     0
變化濃度：0.1    0.3     0.2
平衡濃度：0.4    1.0     0.2
所以達到平衡時氮氣的濃度是0.4mol/L，故答案為：0.4mol/L；
（3）圖Ⅰ為原電池，為甲烷燃燒電池，燃料甲烷做原電池負極反應物失電子發生氧化反應，圖Ⅱ為電解池，鐵棒鍍銅，推斷鐵做電解池陰極，銅做電解池陽極；a為原電池負極，b為原電池正極；
①b處是氧氣得到電子發生的電極反應；電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②原電池反應是堿性溶液中進行消耗氫氧根生成水，溶液PH減小；裝置Ⅱ是電鍍陽極電極反應可知，陽極電極反應為：Cu-2e^-=Cu²⁺，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu，銅離子濃度不變，故答案為：變小；不變；
③裝置Ⅱ中陰極電極反應為Cu²⁺+2e^-=Cu，質量增加12.8g為銅物質的量為0.2mol，轉移電子為0.4mol，裝置I中負極電極反應為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O理論上消耗甲烷物質的量為：0，05mol，標準狀況下的體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，故答案為：1.12．

點評：本題考查化學平衡的判斷，化學平衡的三段式計算應用，反應自發進行的判斷，原電池、電解池原理的計算應用和電極書寫方法，題目難度中等．