Question

甲烷作為一種新能源在化學領域應用廣泛，請回答下列問題：
（1）高爐冶鐵過程中，甲烷在催化反應室中產生水煤氣（CO和H₂）還原氧化鐵，有關反應為：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ?mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1則CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學方程式為

 

；
（2）將一定量的CO（g）與H₂（g）通入定容的聚焦太陽能反應器，發(fā)生反應：
CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）．該反應△H=-206kJ?mol^-1．
①在不同催化劑（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄產量隨光照時間的變化如圖1所示．在0～30 小時內，CH₄的平均生成速率 v_Ⅰ、v_Ⅱ和v_Ⅲ從大到小的順序為

 

．
②能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是

 

．
A．容器內壓強保持不變   B．氣體平均相對分子質量保持不變
C．v_正（CH₄）=v_逆（H₂）  D．CO的濃度保持不變
（3）如圖2所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現鐵棒上鍍銅．
①a處應通入

 

（填“CH₄”或“O₂”），b處電極上發(fā)生的電極反應式是

 

．
②電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH

 

（填寫“變大”“變小”或“不變”，下同），裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質的量濃度

 

．
③電鍍結束后，裝置Ⅰ溶液中的陰離子除了OH^-以外還含有

 

（忽略水解）．
④在此過程中若完全反應，裝置Ⅱ中陰極質量變化12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷

 

L（標準狀況下）．

Answer 1

考點：熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡狀態(tài)的判斷

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據蓋斯定律書寫熱化學反應方程式；
（2）①相同時間甲烷的物質的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質的量的變化量越小，平均反應速率越�。�由圖2可知反應開始后的12小時內，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多；
②平衡標志是正逆反應速率相同，各成分含量保持不變；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；
②根據I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量；
③I中還有碳酸根離子生成；
④根據轉移電子相等計算消失甲烷的體積．

解答： 解：（1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ?mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1②，
將方程式2×①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ?mol^-1 ，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ?mol^-1 ；
（2）①由圖2可知，在0～30h內，甲烷的物質的量變化量為△n（Ⅰ）＜△n（Ⅱ）＜△n（Ⅲ），故在0～30h內，CH₄的平均生成速率v（Ⅲ）＞v（Ⅱ）＞v（Ⅰ）；
由圖2可知反應開始后的12小時內，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多；
故答案為：VⅢ＞VⅡ＞VⅠ；
②CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）．該反應△H=-206kJ?mol^-1 ，反應是氣體體積減小的放熱反應，結合平衡標志是正逆反應速率相同，各成分含量保持不變；
A．反應前后氣體壓強發(fā)生變化，容器內壓強保持不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故A正確；   
B．反應前后氣體質量不變，物質的量減小，氣體平均相對分子質量保持不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂）說明反應達到平衡狀態(tài)，v_正（CH₄）=v_逆（H₂），不能說明正逆反應速率相同，故C錯誤；
 D．CO的濃度保持不變是破壞標志，故D正確；
故答案為：ABD；
（3）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑，所以a處通入的氣體是甲烷；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，b處通的是氧氣，電極上發(fā)生的電極反應式是：O₂+2H₂O+4e=4OH^-；
故答案為：甲烷；O₂+2H₂O+4e=4OH^-；
②根據I中電池反應為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應導致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減�。�
II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量，則溶液中銅離子濃度不變，
故答案為：變��；不變；
③I中負極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，所以還有碳酸根離子生成，故答案為：CO₃^2-；
④串聯電路中轉移電子相等，所以消耗甲烷的體積=

12.8g 64g/mol ×2

8

×22.4L/mol=1.12L；
故答案為：1.12．

點評：本題考查了蓋斯定律、原電池和電解池原理，平衡標志和判斷，圖象分析方法，根據電解池中Cu、Fe電極上發(fā)生的反應確定燃料電池中正負極及電極上通入的氣體，再結合轉移電子相等計算，難點是電極反應式的書寫，題目難度中等．