Question

（2013?聊城一模）研究CO₂與CH₄反應使之轉化為CO和H₂，對減緩燃料危機、減小溫室效應具有重要的意義．
（1）已知：2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890kJ?mol^-1
則：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=

+160kJ?mol^-1

．
（2）在密閉容器中通入物質的量濃度均為0.1mol/L的CH₄ 與CO₂，在一定條件下發生反應
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如圖1：
①下列事實能說明該反應一定達到平衡的是

ac

．
a．CO₂的濃度不再發生變化
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO）
c．混合氣體的平均相對分子質量不發生變化
d．CO與H₂的物質的量比為1：1
②據圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序為

P₄＞P₃＞P₂＞P₁

．
③在壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，則用CO表示該反應的速率為

0.032mol/（L?min）

，該溫度下，反應的平衡常數為

1.64

．
（3）用CO與H₂可合成甲醇（CH₃OH），以甲醇和氧氣反應制成的燃料電池如圖2所示，該電池工作過程中O₂應從

c

（填“c或b”）口通入，電池負極反應式為

2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺

，若用該電池電解精煉銅，每得到6.4g銅，轉移電子數目為

0.2N_A

．

Answer 1

分析：（1）根據蓋斯定律，由于已知熱化學方程式乘以適當的系數進行加減構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的系數，進行相應的計算，據此解答；
（2）①可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發生變化，據此解答．解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據此結合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答；
③由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，是甲烷的轉化率為80%，據此計算甲烷的濃度變化量，根據v=

△c

△t

計算v（CH₄），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（CO）；
利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數表達式計算該溫度下的平衡常數；
（3）由圖2可知，氫離子由左邊轉移到右邊，左邊有氣體生成，故左邊發生氧化反應，右邊發生還原反應，反應中氧氣發生還原反應；
電極總反應式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，利用總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式；
根據n=

m

M

計算銅的物質的量，根據電子轉移守恒可知，轉移電子等于銅離子轉化為銅獲得的電子，再根據N=nN_A計算注意電子數目．

解答：解：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890kJ?mol^-1
由蓋斯定律，③-①-②得CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=-890kJ?mol^-1-（-566kJ?mol^-1）-（-484kJ?mol^-1）=+160kJ?mol^-1，
故答案為：+160kJ?mol^-1；
（1）對于CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），故△H=+160kJ?mol^-1，
①、a．平衡時反應混合物各組分的濃度不變，CO₂的濃度不再發生變化，說明到達平衡，故a正確；
b．υ_正（CH₄）=2υ_逆（CO），則υ_正（CH₄）：υ_逆（CO）=2：1，不等于化學計量數之比，未處于平衡狀態，正反應速率大于逆反應速率，平衡向正反應進行，故b錯誤；
c．反應混合物的總質量不變，隨反應進行，反應混合物的總的物質的量增大，平均相對分子質量減小，混合氣體的平均相對分子質量不發生變化，說明到達平衡，故c正確；
d．CO與H₂的化學計量數為1：1，反應數值按物質的量比為1：1進行，不能說明到達平衡，故d錯誤；
故答案為：ac；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低，故壓強P₄＞P₃＞P₂＞P₁，故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
③由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，是甲烷的轉化率為80%，甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%=0.08mol/L，故v（CH₄）=

0.08mol/L

5min

=0.016mol/（L?min），根據速率之比等于化學計量數之比，所以v（CO）=2v（CH₄）=2×0.16mol/（L?min）=0.032mol/（L?min），
               CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），
開始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
變化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故該溫度下平衡常數k=

0.162×0.162

0.02×0.02

=1.64
故答案為：0.032mol/（L?min）；1.64；
（3）由圖2可知，氫離子由左邊轉移到右邊，左邊有氣體生成，故左邊發生氧化反應，右邊發生還原反應，反應中氧氣發生還原反應，故氧氣在c口通入，
電極總反應式為 2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，正極電極反應式為3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式為：2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，
銅的物質的量為

6.4g

64g/mol

=0.1mol，根據電子轉移守恒可知，轉移電子等于銅離子轉化為銅獲得的電子，故轉移電子數目為0.1mol×2×NAmol^-1=0.2N_A，
故答案為：c；2CH₃OH+2H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺；0.2N_A．

點評：本題考查反應熱的計算、影響化學平衡元素、平衡圖象、原電池原理等，題目綜合性較大，難度中等，（3）中負極電極反應式的書寫為難點，易錯點，利用總反應式減去正極反應式可得負極電極反應式．