Question

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
2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）  △H＝－484kJ/mol
CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g） △H＝－890kJ/mol
則：CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）△H＝____________。

(2)在密閉容器中通人物質的量濃度均為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    。
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     。
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    ，該溫度下，反應的平衡常數為     。
(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，該電池工作程中O₂應從     (填“c或一b”)口通人，電池負極反應式為                 ，若用該電池電解精煉銅，每得到6. 4g銅，轉移電子數目為        。

Answer 1

（16分）（1）＋160kJ/mol（2分） （2）①a、c（2分） ②P₄＞P₃＞P₂＞P₁（2分）
③0.032mol/(L?min)；1.64（2分）
（3）c（2分）；CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺（2分）；1.204×10²³或0.2N_A（2分）

解析試題分析：（1）已知：①2CO（g）+O₂（g）＝2CO₂（g） △H＝－566kJ/mol、②2H₂（g）+O₂（g）＝2H₂O（g）  △H＝－484kJ/mol、③CH₄（g）+2O₂（g）＝CO₂（g）+2H₂O（g） △H＝－890kJ/mol，因此根據蓋斯定律可知，③－①－②即得反應CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g），所以該反應的反應熱△H＝－890kJ/mol＋566kJ/mol＋484kJ/mol＝＋160kJ/mol。
（1）①在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態。根據方程式CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）可知，該反應是體積增大的可逆反應，則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．混合氣的平均相對分子質量是混合氣的質量和混合氣的總的物質的量的比值。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，答案選ac。
②根據圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α(P₁)＞α(P₂)＞α(P₃)＞α(P₄)。由于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P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的順序為P₄＞P₃＞P₂＞P₁。
③根據圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，此時甲烷的轉化率為80%，因此甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%＝0.08mol/L，故v(CH₄)＝＝0.016mol/(L?min)。根據速率之比等于化學計量數之比可知，v(CO)＝2v v(CH₄)＝2×0.016mol/(L?min)＝0.032mol/(L?min)。
CH₄（g）+CO₂（g）＝2CO（g）+2H₂（g）
起始濃度（mol/L）  0.1      0.1        0        0
轉化濃度（mol/L）  0.08     0.08       0.16     0.16
平衡濃度（mol/L）  0.02     0.02       0.16     0.16
所以該溫度下平衡常數K＝＝＝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，反應中氧氣得到電子，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：CH₃OH＋H₂O－12e^－＝CO₂↑＋6H⁺。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×N_Amol^－1＝0.2N_A。
考點：考查蓋斯定律的應用；平衡狀態的判斷、外界條件對平衡狀態的影響；反應速率和平衡常數的計算；電化學原理的應用以及有關計算等