Question

12．天然氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種重要的燃料和基礎化工原料．
（1）以甲烷和水為原料可制取甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
則CH₄（g）+H₂O（g）?CH₃OH（g）+H₂（g）的△H=+77.0kJ/mol；
（2）反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）可用于制取合成氨的原料氣H₂．
T℃時，將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入10L的密閉容器，經5min達到平衡狀態，CH₄的轉化率為50%，則用H₂表示的反應速率v（H₂）=0.03mol•L^-1•min^-1，該溫度時的平衡常數K=2.25×10^-2；
（3）納米氧化亞銅是一種新型的p型半導體材料，具有活性的空穴-電子對和良好的催化活性，因其獨特的性質在諸多領域有著廣泛的應用．工業上可用電解法制取納米Cu₂O（2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂O+H₂↑）．某化學興趣小組的同學設計了如圖所示裝置，進行模擬實驗．

該裝置利用甲烷燃燒電池來提供電能，燃料電池負極通入的氣體是甲烷；裝置中Cu電極的名稱是陽極，該極的電極反應式為H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺．若反應過程中消耗準狀況下336mLCH₄，理論上可得到8.64gCu₂O．

Answer 1

分析 （1）依據蓋斯定律，目標反應的反應熱為①-②；
（2）列三段式表示各物質起始量、轉化量、平衡量；依據反應速率計算公式V=$\frac{△C}{△t}$計算解答；依據平衡常數表達式計算該反應的平衡常數；
（3）燃料電池負極通入的氣體是甲烷，通氧氣為燃料電池的正極，與正極相連的銅是電解池的陽極，發生氧化反應生成Cu₂O，根據轉移電子數相等求氧化亞銅的質量．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依據蓋斯定律，①-②得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+206.0kJ/mol-（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol；
故答案為：+77.0；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應室，甲烷轉化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
則用H₂表示該反應的平衡反應速率V（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1；
T℃時反應I的平衡濃度為c（CH₄）=0.05mol/L，c（H₂O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H₂）=0.15mol/L，
所以該溫度下反應的平衡常數K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.05×0.1{5}^{3}}{0.05×0.15}$=2.25×10^-2；
故答案為：2.25×10^-2；
（3）燃料電池負極通入的氣體是甲烷，通氧氣為燃料電池的正極，與正極相連的銅是電解池的陽極，發生氧化反應生成Cu₂O，電極反應式為：H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺，
CH₄～～～8e-～～～4Cu₂O
22.4×10³        4×144
336mL             m
所以$\frac{22.4×1{0}^{3}}{336}$=$\frac{4×144}{m}$，解之得m=8.64g，
故答案為：甲烷；陽極；H₂O+2Cu-2e^-=Cu₂O+2H⁺；8.64．

點評 本題為綜合題，考查了蓋斯定律的應用、反應速率、平衡常數的計算，熟悉熱化學方程式書寫的方法及蓋斯定律計算反應熱的方法、明確電化學的反應原理是解題的關鍵，題目難度較大．