Question

16．目前“低碳經濟”正成為科學家研究的主要課題．請回答下列問題：
I．甲烷自熱重整是一種先進的制氫方法，其反應方程式為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
（1）閱讀圖1，計算該反應的反應熱△H=+161.1kJ/mol．
Ⅱ．用CH₄或其他有機物、O₂為原料可設計燃料電池．
（2）以C_nH_2nO_n、O₂為原料，H₂SO₄溶液為電解質設計成燃料電池，則負極的電極反應式為C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺．
（3）以CH₄、O₂為原料，100mL 0.15mol/L NaOH溶液為電解質設計成燃料電池，若放電時參與反應的氧氣體積為448mL（標準狀況），產生的氣體全部被溶液吸收，則所得溶液中溶質的成分及物質的量之比為n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，各離子濃度由大到小的順序為c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
Ⅲ．利用I₂O₅消除CO污染的反應為：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s），
不同溫度下，向裝有足量I₂O₅固體的2L恒容密閉容器中通入4mol CO，
測得CO₂的體積分數隨時間t變化曲線如圖2．請回答：
（4）T₂時，0～0.5min內的反應速率v（CO）=1.6mol•L^-1•min^-1．
（5）T₁時化學平衡常數K=1024．
（6）下列說法不正確的是B（填字母序號）．
A．容器內氣體密度不變，表明反應達到平衡狀態
B．兩種溫度下，c點時體系中混合氣體的壓強相等
C．d點時，增大體系壓強，CO的轉化率不變
D．b點和d點時化學平衡常數的大小關系：K_b＞K_d
IV．（7）電解CO制備CH₄和W，工作原理如圖3所示，其原理用電解總離子方程式解釋是4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）根據能量圖書寫各自的熱化學方程式，再通過蓋斯定律計算；
（2）燃料電池中，負極上投放燃料，負極上失電子發生氧化反應；
（3）計算氧氣的物質的量，進而計算生成二氧化碳的物質的量，根據n（NaOH）與n（CO₂）比例關系判斷反應產物，進而計算溶液中電解質物質的量，結合鹽類水解與電離等判斷；
Ⅱ（4）根據起始量和a點時CO₂的體積分數（即物質量分數），列式計算即可求出從反應開始至a點時的反應速率為v（CO）；
（5）根據b點時CO₂的體積分數φ（CO₂）求出CO和CO₂的平衡濃度進而求出T₁時化學平衡常數K；
（6）A．因為條件為恒容，而反應前后氣體質量變化，所以容器內氣體密度是變量，當不變時表明反應達到平衡狀態；
B．c點為交點，各氣體物質的量分別相等；
C．反應前后氣體體積不變，壓強變化對平衡無影響；
D．b點比d點時生成物CO₂體積分數大，說明進行的程度大，則化學平衡常數：K_b＞K_d
（7）由此電解原理可知，陽極失去電子生成二氧化碳氣體，加入碳酸鈉，碳酸鈉與二氧化碳反應生成碳酸氫鈉，陰極CO得到電子生成甲烷氣體，據此解答即可；

解答 解：Ⅰ（1）由能量圖，得①CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
①-③×3+②得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H=（-846.3+241.8×3+282）kJ•moL^-1=+161.1kJ•moL^-1；故答案為：+161.1；
 （2）燃料電池中，負極上投放燃料所以投放甲烷的電極是負極，負極上失電子發生氧化反應，電極反應式為：C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺．
故答案為：C_nH_2nO_n-4ne^-+nH₂O═nCO₂+4nH⁺；
（3）參與反應的氧氣在標準狀況下體積為448mL，物質的量為 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根據電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，發生發生2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所以所得溶液中溶質的成分及物質的量之比為n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1；溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鈉離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1；c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
Ⅱ（4）a點時：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
轉化量/mol    x                 x
a點量/mol    4-x                x
根據a點時CO₂的體積分數φ（CO₂）=$\frac{x}{4}$=0.40，得x=1.6mol
則從反應開始至a點時的反應速率為v（CO）=$\frac{1.6mol}{2L×0.5min}$=1.6mol•L^-1•min^-1，故答案為：1.6mol•L^-1•min^-1；
（5）T₁時：5CO（g）+I₂O₅（s）?5CO₂（g）+I₂（s）
起始量/mol    4                 0
轉化量/mol    y                 y
b點量/mol    4-y                y
根據b點時CO₂的體積分數φ（CO₂）=$\frac{y}{4}$=0.80，得y=3.2mol，c（CO）=0.4mol•L^-1，c（CO₂）=1.6mol•L^-1
T₁時化學平衡常數K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）{\;}^{5}}{c（CO）{\;}^{5}}$=$\frac{1.6{\;}^{5}}{0.4{\;}^{5}}$=1024，
故答案為：1024；
（6）A．因為條件為恒容，而反應前后氣體質量變化，所以容器內氣體密度不變時，表明反應達到平衡狀態，故A正確；
B．c點為交點，氣體物質的量分別相等，所以兩種溫度下，體系中混合氣體的壓強不等，故B錯誤；
C．反應前后氣體體積不變，壓強變化對平衡無影響，所以增大壓強平衡不移動，CO的轉化率不變，故C正確；
D．b點比d點時生成物CO₂體積分數大，說明進行的程度大，則化學平衡常數：K_b＞K_d，故D正確；
故答案為：B；
（7）由此電解原理可知，陽極失去電子生成二氧化碳氣體，加入碳酸鈉，碳酸鈉與二氧化碳反應生成碳酸氫鈉，陰極CO得到電子生成甲烷氣體，據此離子反應方程式為：4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑，故答案為：4CO+3CO₃^2-+5H₂O=6HCO₃^-+CH₄↑．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、化學反應速率和化學平衡常數的相關計算、化學平衡移動原理、電離常數及離子濃度大小的比較等知識，綜合性很強，難度很大．