Question

天然氣的主要成分是甲烷，它是一種重要的燃料和基礎化工原料．
（1）以甲烷和水為原料可制取甲醇．
①CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ?mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0kJ?mol^-1
則CH₄（g）+H₂O?CH₃OH（g）+H₂（g）△H=

 

kJ?mol^-1
（2）用甲烷催化還原NO_x為N₂可消除氮氧化物的污染，寫出反應的化學方程式

 

．
（3）一定條件下，反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）可以制取合成氨的原料氣H₂．將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L的反應室，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關系如圖1．已知100℃時達到平衡所需的時間是5min，則用H₂表示的反應速率v（H₂）=

 

；該溫度時的平衡常數(shù)K=

 

，該反應的△H

 

0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（4）某化學小組設計如圖2裝置進行飽和NaCl溶液電解實驗．
請回答下列問題：
已知每個甲烷燃料電池中盛有1.0L2.0mol?L^-1的KOH溶液．標準狀況下，當每個燃料電池的負極通入甲烷的體積均為33.6L，且反應完全，則理論上電池溶液中c（K₂CO₃）

 

c（KHCO₃）（填“＜”、“＞”或“=”）：最多能產(chǎn)生標準狀況氯氣的體積為

 

L．

Answer 1

考點：熱化學方程式,原電池和電解池的工作原理,化學平衡的計算

專題：

分析：（1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算應用；
（2）用甲烷催化還原NO_x為N₂可消除氮氧化物的污染，產(chǎn)物是氮氣水以及二氧化碳，據(jù)此書寫方程式；
（3）根據(jù)c=

△c

△t

計算v（H₂）；計算平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；根據(jù)溫度對平衡移動的影響確定反應的吸放熱情況；
（4）根據(jù)二氧化碳和氫氧化鉀反應的量的關系確定產(chǎn)物，根據(jù)電子守恒結(jié)合電極反應式進行計算．

解答： 解：（1）Ⅰ：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ?mol^-1
Ⅱ：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ?mol^-1
依據(jù)蓋斯定律Ⅰ+Ⅱ得到CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ?mol^-1；
（2）甲烷催化還原NO_x為N₂可消除氮氧化物的污染，產(chǎn)物是氮氣水以及二氧化碳，方程式為：xCH₄（g）+4NO_x（g）=2N₂（g）+xCO₂（g）+2xH₂O，
故答案為：xCH₄（g）+4NO_x（g）=2N₂（g）+xCO₂（g）+2xH₂O；
（3）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
①假設100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
②100℃時反應I的平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數(shù)K=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4，根據(jù)圖示，升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率升高，所以平衡正向移動，反應是吸熱的，故答案為：2.25×10^-4；＞；
（4）負極通入甲烷的體積均為33.6L，即1.5mol，會產(chǎn)生二氧化碳是1.5mol，1.0L2.0mol?L^-1的KOH溶液氫氧化鉀的物質(zhì)的量是2mol，所以3CO₂+4OH^-=CO₃^2-+2HCO₃^-+2H₂O，溶液中c（K₂CO₃）＜c（KHCO₃），根據(jù)甲烷轉(zhuǎn)移電子的情況CH₄～8e^-，則1.5mol甲烷轉(zhuǎn)移電子是12mol，根據(jù)反應式2Cl^--2e^-=Cl₂↑，轉(zhuǎn)移12mol電子，生成氯氣的量是6mol，體積是6mol×22.4L/mol=134.4L，故答案為：＜；134.4．

點評：本題目綜合考查學生有關熱化學、電化學以及化學反應速率和平衡的有關計算知識，屬于綜合知識的考查題，難度較大．