Question

【題目】對甲烷和CO2的高效利用不僅能緩解大氣變暖，而且對日益枯竭的石油資源也有一定的補充作用，甲烷臨氧耦合CO2重整反應有：

反應（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g) △H=－71.4kJmol-1

反應（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0kJmol-1

（1）寫出表示CO燃燒熱的熱化學方程式：_____。

（2）在兩個體積均為2L的恒容密閉容器中，起始時按表中相應的量加入物質，在相同溫度下進行反應（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)（不發生其它反應），CO2的平衡轉化率如下表所示：

	起始物質的量(n)/mol				CO2的平衡轉化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50%
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列能說明反應達到平衡狀態是_____。

A.v正(CH4)=2v逆(CO)

B.容器內各物質的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器內混合氣體的總壓強不再變化

D.容器內混合氣體密度保持不變

②若容器Ⅰ內反應從開始到平衡所用的時間為tmin，則tmin內該反應的平均反應速率為：v(H2)=____（用含t的表達式表示）。

③達到平衡時，容器Ⅰ、Ⅱ內CO的物質的量的關系滿足：2n(CO)Ⅰ___n(CO)Ⅱ（填“＞”、“＝”或“＜”）。

（3）將CH4(g)和O2(g)以物質的量比為4：3充入盛有催化劑的恒容密閉容器內，發生上述反應（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)CO的體積分數[ψ(CO)]與溫度（T）的關系如圖如示。

①T2℃時，CO體積分數最大的原因是____。

②若T2℃時，容器內起始壓強為P0，平衡時CO的體積分數為20%，則反應的平衡常數KP=___（用平衡分壓強代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）。

（4）2016年我國科研人員根據反應Na+CO2→Na2CO3+C（未配平）研制出一種室溫“可呼吸”Na-CO2電池。放電時該電池“吸入”CO2，充電時“呼出”CO2。其放電時的工作原理如圖所示，已知吸收的全部CO2中，有轉化為Na2CO3固體沉積在多壁碳納米管（MWCNT）電極表面，寫出放電時正極的電極反應式：___。

Answer 1

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1 C mol/(Lmin) ＞ 低于T2℃時，反應未達平衡，相同時間內溫度越高反應速率越快，CO的體積分數就越高；高于T2℃時，反應達到平衡，因正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，故溫度越高，CO的體積分數就越小； 4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)

【解析】

(1)根據蓋斯定律計算出焓變，繼而寫出熱化學方程式；

(2)①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，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根據計算tmin內v(H2)；

③將容器Ⅱ內的物料進行“一邊倒”，通過等效平衡思想進行分析；

(3)①沒有達到平衡狀態時，溫度升高、反應速率加快，當達到平衡狀態后，升高溫度平衡向著逆向移動，據此分析；

②恒容密閉容器中壓強之比等于物質的量之比，等于濃度之比，CH4(g)和O2(g)的物質的量之比為4：3，可先假設CH4物質的量為4x，O2為3x，平衡時生成CO的物質的量為ymol，利用三段式求解；

(4)放電時正極得電子發生還原反應。

(1)反應(i)：2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)△H=-71.4kJmol-1
反應(ii)：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)△H=+247.0kJmol-1
根據蓋斯定律[反應(i)-反應(ii)]可得CO(g)+O2(g)=CO2(g)的△H=[-71.4kJmol-1-(+247.0kJmol-1)×2]=-282.7kJmol-1，即CO燃燒熱的熱化學方程式為CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1，
故答案為：CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-282.7kJmol-1；

(2)在容器Ⅰ(體積為2L)中反應三段式為：

①A.反應平衡時v正(CH4)=v逆(CH4) ，2v逆(CH4)=v逆(CO)，所以平衡時2v正(CH4)=v逆(CO)，故A錯誤；

B. 由反應三段式計算該溫度下的平衡常數K= ，而c(CH4)c(CO2)=c2(CO)c2(H2)的狀態有：濃度熵Qc=1＞K，反應逆向進行，即不是平衡狀態，故B錯誤；
C．反應CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)是氣體體積變化的反應，反應進行時氣體總物質的量發生變化，容器中壓強也發生變化，所以容器內混合氣體的總壓強不再變化的狀態是平衡狀態，故C正確；
D．反應體系中各物質均為氣體，則混合氣體的質量m不變，恒溫恒容條件下V不變，根據可知，容器內密度始終不變，所以容器內混合氣體密度保持不變的狀態不一定是平衡狀態，故D錯誤；
故答案為：C；

②由反應三段式可知，△c(H2)=0.05mol/L，所以tmin內v(H2)=mol/(Lmin)，
故答案為：mol/(Lmin)；
③恒溫恒容條件下，0.1molCH4(g)、0.1molCO2(g)、0.2molCO(g)、0.2molH2(g)的反應體系II等效于0.2molCH4(g)、0.2molCO2(g)的反應體系，若二者達到等效平衡，則2n(CO)Ⅰ=n(CO)Ⅱ，但實際上0.2molCH4(g)、0.2molCO2(g)的反應體系相當2個容器I的體系合并后壓縮，則平衡逆向逆向移動、CO物質的量減小，所以2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ，故答案為：＞；

(3)①溫度低于T2℃時，反應未達平衡，溫度升高、反應速率加快，相同時間段內溫度越高反應速率越快，則CO的體積分數越大；在溫度為T2℃時，反應達到平衡，由于該反應為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，CO的體積分數減小，所以T2℃時CO的體積分數最大，也可能是T0℃時催化劑的催化活性最高，反應速率最快，故答案為：低于T2℃時，反應未達平衡，相同時間內溫度越高反應速率越快，CO的體積分數就越高；高于T2℃時，反應達到平衡，因正反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，故溫度越高，CO的體積分數就越小；

②CH4(g)和O2(g)的物質的量之比為4：3，設CH4物質的量為4x，O2為3x，平衡時生成CO的物質的量為ymol，列三段式：

CO的平衡體積分數為20%，則：×100%=20%，解得：y=2x，
平衡時混合氣體的總物質的量為：7x+1.5y=10x，反應前總物質的量為7xmol，恒溫恒容條件下，氣體的壓強與物質的量成正比，T2℃時容器內起始壓強為p0，則平衡時壓強為： ，平衡時各氣體的分壓：平衡時p(CH4)=p(O2)=p(CO)=，p(H2)=，所以平衡常數 ，故答案為：；

(4) 由原電池反應Na+CO2→Na2CO3+C可知，“吸入”的CO2得電子生成C和Na2CO3，為正極，電極反應式為4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)，
故答案為：4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C(或3CO2+4e-=2CO32-+C)。