Question

9．CO₂和CH₄均為溫室氣體，若得以綜合利用，對于溫室氣體的整治具有重大意義．
（1）已知：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H═+247.3KJ/mol
CH₄（g）?C（s）+2H₂ （g）△H═+75KJ/mol
反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發進行的原因是該反應中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發進行
（2）合成甲醇的主要反應是CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．壓強為P₁時，向體積為2L的密閉容器中充人b mol CO和2b mol H₂，平衡時CO的轉化率與溫度、壓強的關系如圖1所示．請回答：
①該反應屬于放（填“吸”或“放”）熱反應；P₁＜P₂（填“＞”、“＜”或“=”）．200℃時，該反應的平衡常數K=$\frac{4}{{b}^{2}}$（用含b的代數式表示）．
②若200℃時，上述反應經過tmin達到平衡，則該時間段內氫氣的平均反應速率為$\frac{b}{2t}$mol/（L•min）．

（3）以滲透于多孔基質的惰性導電物質材料為電極，用35%～50%KOH為電解液，甲烷和空氣為原料，構成堿性燃料電池，該電池負極的電極反應式為CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O
（4）以甲烷燃料電池做電源，用如圖2所示裝置，在實驗室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中，發現溶液逐漸變渾濁，用離子方程式表示沉淀產生的原因是Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）已知25℃時，Al（OH）₃的Ksp=8.0×10^-33．若使某鋁鹽溶液中的Al³⁺降至1.0×10^-6mol．L^-l時，則需調節溶液的pH至5.3（已知lg5=0.7）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據蓋斯定很，將②-①得反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，根據熵變和焓變進行判斷；
（2）①根據溫度對CO的轉化率的影響判斷反應的熱效應，該反應為氣體體積減小的反應，壓強越大，CO的轉化率越高，200℃時，CO的轉化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，根據平衡常數的定義計算平衡常數；
②若200℃時，上述反應經過tmin達到平衡，氫氣轉化的溶液為6mol/L，根據v=$\frac{△v}{△t}$計算；
（3）甲烷和空氣為原料，構成堿性燃料電池，負極上甲烷失電子生成碳酸根離子，據此書寫電極反應式；
（4）根據裝置圖，陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發生雙水解反應；
（5）根據Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可計算出氫氧根離子的濃度，進而確定溶液的pH值．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據蓋斯定很，將②-①得反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，而該反應△S＜0，所以該反應在溫度較低的條件下可以自發進行，
故答案為：該反應中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發進行；
（2）①根據圖可知，溫度越高，CO的轉化率越小，所以該反應的正反應為放熱反應，根據圖相同溫度時P₂的CO的轉化率大于P₁，而該反應為氣體體積減小的反應，壓強越大，CO的轉化率越高，所以P₁＜P₂，200℃時，CO的轉化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為0.25bmol/L、0.5bmol/L、0.25bmol/L，所以平衡常數K=$\frac{0.25b}{0.25b（0.5b）^{2}}$=$\frac{4}{{b}^{2}}$
故答案為：放；＜；$\frac{4}{{b}^{2}}$；
②若200℃時，上述反應經過tmin達到平衡，氫氣轉化的濃度為0.5bmol/L，所以該時間段內氫氣的平均反應速率為$\frac{0.5b}{t}$=$\frac{b}{2t}$mol/（L•min），
故答案為：$\frac{b}{2t}$mol/（L•min）；
（3）甲烷和空氣為原料，構成堿性燃料電池，負極上甲烷失電子生成碳酸根離子，負極的電極反應式為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
（4）鋁作陽極，陽極上電極反應式為Al=Al³⁺+3e^-；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）根據Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可知，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{8.0×1{0}^{-33}}{1.0×1{0}^{-6}}}$=2×10^-9，所以c（H⁺）=5×10^-6，pH值為6-lg5=5.3，
故答案為：5.3．

點評 本題考查了反應進行的方向、影響平衡移動的因素、反應速率的計算、原電池和電解池原理、溶液的pH值的計算等，明確化學平衡移動原理及各個電極上發生的電極反應是解本題關鍵，難點是鋁離子和碳酸氫根離子發生雙水解的反應，題目難度中等．