Question

11．氫氣是一種清潔能源，又是合成氨工業(yè)的重要原料．
（1）已知：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJ•mol^-1
甲烷和H₂O（g）反應(yīng)生成H₂和CO₂的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol．
（2）工業(yè)合成氨的反應(yīng)原理為N₂（g）+3H₂（g）═2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．某溫度下，把10mol N₂與28mol H₂置于容積為10L的密閉容器內(nèi)，10min時反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，測得氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率為60%，則10min內(nèi)該反應(yīng)的平均速率v（H₂）=0.18mol•L^-1•min^-1，則該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=3.6．欲增大氮氣的平衡轉(zhuǎn)化率，可采取的措施有增加氫氣的濃度或分離出氨氣或降溫（寫一種措施即可）．
（3）如圖所示裝置工作時均與H₂有關(guān)．

①圖1所示裝置中陽極的電極反應(yīng)式為MnO₄^2--e^-=MnO₄^-
②圖2所示裝置中，通入H₂的管口是d（選填字母代號）．
③某同學(xué)按圖3所示裝置進行實驗，實驗結(jié)束后，將玻璃管內(nèi)固體物質(zhì)冷卻后，溶于稀硫酸，充分反應(yīng)后，滴加KSCN溶液，溶液不變紅，再滴入新制氯水，溶液變?yōu)榧t色．該同學(xué)據(jù)此得出結(jié)論：鐵與水蒸氣反應(yīng)生成FeO和H₂．該結(jié)論不嚴(yán)密（填“嚴(yán)密”或“不嚴(yán)密”），你的理由是產(chǎn)物中含+3價鐵的物質(zhì)與稀硫酸反應(yīng)后生成Fe³⁺，F(xiàn)e³⁺可與過量的Fe反應(yīng)生成Fe²⁺：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺（用離子方程式和必要的文字說明）．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol①
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol②
將方程式①×2-②即可得甲烷和H₂O（g）反應(yīng)生成H₂和CO₂的熱化學(xué)方程式，注意反應(yīng)熱 進行相應(yīng)的改變．
（2）先根據(jù)氮氣的轉(zhuǎn)化率計算氮氣的平均反應(yīng)速率，再根據(jù)同一化學(xué)反應(yīng)中同一時間段內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計量數(shù)之比計算氫氣的反應(yīng)速率；先計算平衡時各物質(zhì)的平衡濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)公式計算其平衡常數(shù)．
（3）①陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)．
②根據(jù)氫氧根離子的移動方向及氫氣的反應(yīng)判斷氫氣所在的電極．
③根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象知，溶液中沒有鐵離子，原因是部分鐵未被氧化，導(dǎo)致剩余的鐵和鐵離子反應(yīng)生成亞鐵離子．

解答 解：（1）CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol①
CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ/mol②
將方程式①×2-②得CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol；
（2）轉(zhuǎn)化的氮氣的物質(zhì)的量=10mol×60%=6mol，則10min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v（N₂）=$\frac{\frac{6mol}{10L}}{10min}$=0.06mol/L．min，同一化學(xué)反應(yīng)中同一時間段內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計量數(shù)之比，所以v（H₂）=0.18mol/L．min；
反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，C（N₂）=$\frac{10（1-60%）mol}{10L}$=0.4mol/L，C（H₂）=$\frac{28mol-3×10（1-60%）mol}{10L}$mol/L，
C（NH₃）=$\frac{2×10×60%mol}{10L}$=1.2mol/L，則K=$\frac{（1.2mol/L）{\;}^{2}}{0.4mol/L×（1mol/L）{\;}^{3}}$=3.6（mol/L） ^-2；
該反應(yīng)是一個反應(yīng)前后氣體體積減小的放熱反應(yīng)，增加反應(yīng)物或減小生成物的濃度或降低溫度都能使反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動，所以增加氫氣的濃度或分離出氨氣或降溫都能使該反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動，
故答案為：0.18；3.6；增加氫氣的濃度或分離出氨氣或降溫；
（3）①陽極上錳酸根離子失電子生成高錳酸根離子，電極反應(yīng)式為：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-．
故答案為：MnO₄^2--e^-=MnO₄^-；
②氫氧燃料堿性電池中，氫氣失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成水，圖片中氫氧根離子向d電極移動，說明d電極上是氫氣，
故答案為：d；
③鐵和水蒸氣在高溫下反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象知，該反應(yīng)中部分鐵未參加反應(yīng)導(dǎo)致剩余的鐵和鐵離子反應(yīng)生成二價鐵離子，離子方程式為：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，所以說不嚴(yán)密，
故答案為：不嚴(yán)密； 產(chǎn)物中含+3價鐵的物質(zhì)與稀硫酸反應(yīng)后生成Fe³⁺，F(xiàn)e³⁺可與過量的Fe反應(yīng)生成Fe²⁺：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．

點評 本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡的有關(guān)計算、原電池和電解池原理等知識，難度 不大，易錯點是氫氧燃料電池中電極的判斷，明確溶液中離子的移動方向是解此題的關(guān)鍵．