Question

近年來，由于溫室效應和資源短缺等問題，關于CO₂和碳酸鹽應用的研究受到人們的重視。某研究小組利用反應：CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)  △H＝－41.2kJ/mol ，制備CO₂與H₂ 的混合氣體，并進一步研究CO₂與H₂以不同的體積比混合時在合適條件下的反應產物應用。

(1) 已知：850℃時在一體積為10 L的恒容密閉容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O濃度變化如圖1所示：

下列說法正確的是       （填序號）

A.達到平衡時，氫氣的物質的量是0.12mol

B.達到平衡時，反應體系最終會放出49.44kJ熱量

C.在0—4min，混合氣體的平均相對分子質量增大

D.第6min時，若升高溫度，反應平衡常數會減小

E.第8min時，若充入氦氣，會導致v_正(CO)＜v_逆(H₂O)

(2) 850 ℃時，若在容積為2 L的密閉容器中同時充入1.0 mol CO，3.0 mol H₂O，1.0 mol CO₂和x mol H₂。若要使上述反應開始時向正反應方向進行，則x應滿足的條件是                         。

(3) 如將H₂ 與CO₂以4:1的體積比混合，在適當的條件下可制得CH₄。已知：

CH₄ (g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol

H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)            ΔH₂＝－285.8 kJ/mol

則CO₂(g)與H₂(g)反應生成CH₄(g)與液態水的熱化學方程式是                               。

(4) 熔融鹽燃料電池(見圖2）是以熔融碳酸鹽為電解質，以CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極。已知負極的電極反應是CH₄ +4CO₃^2－－8e^－=5CO₂+2H₂O。正極的電極反應是________。為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定。為此電池工作時必須有部分A物質參加循環，則A物質的化學式是_________。實驗過程中，若通入了標準狀況下空氣448 L（假設空氣中O₂體積分數為20%），則熔融鹽燃料電池消耗標準狀況下CH₄____________L。

 

Answer 1

【答案】

（1）BD（2分） （2）0≤x＜3（2分）

（3）CO₂(g)+4 H₂(g)＝CH₄(g)+2H₂O(l)  △H＝－252.9 kJ/mol（2分）

（4）2O₂+4CO₂+8e^－＝CO₃^2－（2分）、CO₂（1分）、44.8L（2分）

【解析】

試題分析：（1）A、由圖可知，平衡時△c（CO）＝0.2mol/L－0.08mol/L＝0.12mol/L，濃度變化量之比等于化學計量數之比，故△c（H₂）＝△c（CO）＝0.12mol/L，則n（H₂）＝0.12mol/L×10L＝1.2mol，故A錯誤；B、生成1.2mol氫氣，放出的熱量為41.2kJ/mol×1.2mol＝49.44kJ，故B正確；C、由圖可知4min時到達平衡，隨反應進行，混合氣體總質量不變，總物質的量也不變，所以平均相對分子質量始終不變，故C不正確；D．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，平衡常數減小，故D正確；E、第8min時，若充入氦氣，壓強增大，但物質的濃度不變，因此反應速率和平衡都不變，E不正確，答案選BD。

（2）由圖可知，平衡時CO的濃度為0.08mol/L，則：

                 CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)

起始濃度（mol/L） 0.2    0.3        0       0

轉化濃度（mol/L） 0.12   0.12      0.12    0.12

平衡濃度（mol/L） 0.08   0.18      0.12    0.12

故平衡常數K＝＝＝1

平衡向正反應方向移動，濃度商小于平衡常數，即＜1，解得x＜3，所以x的取值范圍是0≤x＜3。

（3）根據已知反應①CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol、②H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)  ΔH₂＝－285.8 kJ/mol并結合蓋斯定律可知，②×4－①即得到CO₂(g)+4 H₂(g)

＝CH₄(g)+2H₂O(l)，則該反應的反應熱△H＝－285.8 kJ/mol×4＋890.3 kJ/mol＝－252.9 kJ/mol。

（4）原電池中正極得到電子，則氧氣在正極通入。由于是以熔融碳酸鹽為電解質，所以氧氣在正極得到電子結合CO₂生成CO₃^2－，則正極電極反應式為2O₂+4CO₂+8e^－＝4CO₃^2－。由于負極產生CO₂，而正極消耗CO₂，所以參加循環的物質應該是CO₂；448L空氣中氧氣的體積＝448L×20×＝89.6L，標準狀況下的體積＝89.6L÷22.4L/mol＝4mol，反應中得到4mol×4＝16mol電子。甲烷在反應中失去8個電子，所以根據電子得失守恒可知，消耗甲烷的物質的量是16mol÷8＝2mol，在標準狀況下的體積是44.8L。

考點：考查可逆反應的計算、外界條件對平衡狀態的影響、熱化學方程式的計算以及燃料電池的有關判斷