Question

17．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）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ•mol^-1
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：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ•mol^-1．
（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：

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

①前20min的平均速率v（H₂）為0.015mol/L•min．
②能提高反應中N₂的平衡轉化率的是BCE．
A．增加N₂的濃度B．增加H₂的量C．移出部分NH₃D．提高反應溫度
E．減小容器的容積F．加入合適的催化劑
（3）如圖表示合成NH₃反應在某段時間t₀→t₆中反應速率與反應過程的曲線圖，若t₁時改變的條件是升高溫度，則在下列到達化學平衡的時間段中，NH₃的體積分數最小的一段時間是（填寫下列序號，下同）D，化學平衡常數最大的一段時間是A．
A．t₀→t₁   B．t₂→t₃    C．t₃→t₄   D．t₅→t₆
t₄時改變的條件是減小壓強．
（4）甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液）有廣泛的應用．
①負極上發生的電極反應式是CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
②放電后，裝置中溶液的pH變小．（填寫“變大”、“變小”或“不變”）

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律來計算反應的焓變；
（2）依據圖表計算氨氣反應速率，反應速率之比等于化學方程式計量數之比計算得到氫氣反應速率；能提高反應中N₂的平衡轉化率，改變條件使平衡正向進行分析；
（3）分析圖象變化，若t₁時改變的條件是升高溫度，平衡逆向進行，正反應是放熱反應；t₃時刻改變的條件是加入催化劑，改變反應速率不改變化學平衡；t₄時刻正逆反應速率減小，平衡逆向進行，應是增大體積減小壓強；平衡常數隨溫度變化，不隨濃度、壓強變化；
（4）甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），燃料甲烷做原電池負極反應物失電子發生氧化反應，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；

解答 解：（1）①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ•mol^-1
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
結合蓋斯定律計算，①×2-②×$\frac{1}{2}$-③可知反應CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H=①×2-②×$\frac{1}{2}$-③×=250.3kJ•mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ•mol^-1；
（2）前20min的平均速率v（H₂）=$\frac{3}{2}$v（NH₃）=$\frac{3}{2}$×$\frac{0.2mol/L}{20min}$=0.015mol/L•min；
N₂ +3H₂ ?2NH₃ ，反應是氣體體積減小的放熱反應，平衡正向進行能提高反應中N₂的平衡轉化率；
A．兩種反應物中增加一種會提高另一種的轉化率，本身轉化率減小，增加N₂的濃度，氮氣轉化率減小，故A錯誤；  
B．增加H₂的量會提高氮氣的轉化率，故B正確；
C．移出部分NH₃ ，減小生成物濃度，平衡正向進行，氮氣轉化率增大，故C正確；
D．反應是放熱反應，提高反應溫度，平衡逆向進行，氮氣轉化率減小，故D錯誤；
E．減小容器的容積，增大壓強，平衡正向進行，氮氣轉化率增大，故E正確；
 F．加入合適的催化劑改變反應速率，步步改變化學平衡，氮氣轉化率不變，故F錯誤；
故答案為：0.015mol/L•min；BCE；
（3）分析圖象變化，若t₁時改變的條件是升高溫度，平衡逆向進行，正反應是放熱反應；t₃時刻改變的條件是加入催化劑，改變反應速率不改變化學平衡；t₄時刻正逆反應速率減小，平衡逆向進行，應是增大體積減小壓強；平衡常數隨溫度變化，不隨濃度、壓強變化，依據條件改變和平衡移動方向分析，NH₃的體積分數最小的一段時間為 t₅→t₆，化學平衡常數隨溫度變化，不隨濃度，壓強變化，所以最大的一段時間t₀→t₁；上述分析可知t₄改變的條件是 減小壓強；
故答案為：D；A；減小壓強；
（4）甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），燃料甲烷做原電池負極反應物失電子發生氧化反應，電極反應式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，原電池的總為CH₄+2OH^-+2O₂=CO₃^2-+3H₂O，所以反應過程中消耗氫氧根離子，溶液PH減小，
故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；變小．

點評 本題考查化學平衡的計算判斷，熱化學方程式書寫和蓋斯定律計算應用，平衡影響因素的分析判斷，原電池、電解池原理的計算應用和電極書寫方法，圖象分析方法是解題關鍵，題目難度中等．