Question

在海底和青藏高原都發(fā)現(xiàn)了名為“可燃冰”的環(huán)保型新能源，主要成分是CH₄，CH₄在光照下可與Cl₂反應(yīng)，也可以用CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇等新型燃料．
（1）在一定條件下，發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0．
若在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2molCH₄（g）和2mol H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后，生成l molCO，CH₄的轉(zhuǎn)化率為

 

．此時(shí)向容器中同時(shí)加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），則平衡將

 

（填“向正反應(yīng)方向”、“向逆反應(yīng)方向”或“不”）移動(dòng)，達(dá)到新平衡后平衡常數(shù)為

 

．若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后，生成CO

 

 l mol（填“大于”、“小于”或“等于”）．
（2）CH₄可用于設(shè)計(jì)燃料電池，甲烷燃料電池的工作原理如圖1所示：通入CH₄的一極電極反應(yīng)式為：

 

；反應(yīng)一段時(shí)間后溶液的pH

 

（填“升高”、“降低”或“不變”）．
（3）若將CH₄燃料電池與圖2表示的電解池相連，U形管裝有電解液a；X、Y是兩塊電極板，請(qǐng)回答以下問(wèn)題：
①該電解池的Y電極與CH₄燃料電池中通入

 

一極相連
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，則電解池中X極上的電極反應(yīng)為

 

．
該電解池的總反應(yīng)為

 

．
③若X、Y都是惰性電極，a是含有0.4mol CuSO₄和0.2mol KCl的水溶液1L，電解一段時(shí)間后，在一個(gè)電極上析出18.2g Cu，此時(shí)在另一電極上放出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積

 

（忽略水中溶解）

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后時(shí)，有
               CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）    1       1               0      0
反應(yīng)（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
平衡（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
所以CH₄的轉(zhuǎn)化率=

0.5

1

×100%=50%；
所以平衡常數(shù)K=

1.5 3×0.5

0.5×0.5

=6.75，
平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與物質(zhì)的起始濃度無(wú)關(guān)，所以此時(shí)加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），剛好此數(shù)據(jù)就是上述的平衡狀態(tài)，則平衡不移動(dòng)，平衡常數(shù)仍然為6.75，
若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)體積增大，所以在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)相當(dāng)于減壓，平衡要向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則反應(yīng)達(dá)平衡后，生成CO大于l mol；
（2）根據(jù)氧氣得到電子化合價(jià)升高來(lái)書寫；根據(jù)總反應(yīng)式判斷溶液的PH變化；
（3）①根據(jù)電解池的陽(yáng)極與原電池的正極相連，陰極與原電池的負(fù)極相連判斷；
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，Y電極上氯離子放電生成氯氣，X電極上氫離子放電，同時(shí)該電極附近生成氫氧根離子；
③n（Cu）=

18.2g

64g/mol

=0.28mol，陰極發(fā)生Cu²⁺+2e^-=Cu，可知陰極得到0.56mol電子，陽(yáng)極發(fā)生：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，結(jié)合兩極轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相等和電極方程式計(jì)算．

解答： 解：（1）在2L體積恒定的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后時(shí)，有
               CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）    1       1               0      0
反應(yīng)（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
平衡（mol/L）   0.5     0.5             0.5     1.5
所以CH₄的轉(zhuǎn)化率=

0.5

1

×100%=50%；
所以平衡常數(shù)K=

1.5 3×0.5

0.5×0.5

=6.75，
平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與物質(zhì)的起始濃度無(wú)關(guān)，所以此時(shí)加入1mol CH₄（g）、1mol H₂O（g）1mol CO和3molH₂的混合氣體（保持溫度不變），剛好此數(shù)據(jù)就是上述的平衡狀態(tài)，則平衡不移動(dòng)，平衡常數(shù)仍然為6.75，
若在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，T℃時(shí)，通入2mol CH₄（g）和2mol H₂O（g），因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)體積增大，所以在2L體積可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)相當(dāng)于減壓，平衡要向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則反應(yīng)達(dá)平衡后，生成CO大于l mol；
故答案為：50%；不；6.75；大于；
（2）CH₄失去電子失去，電極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，該電池的反應(yīng)式為2O₂+CH₄+2OH^-═CO₃^2-+3H₂O，消耗了溶液中的氫氧根離子，且有溶劑水生成，導(dǎo)致溶液中氫氧根離子的濃度降低，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；降低；
（3）①電解池的陽(yáng)極與原電池的正極相連，陰極與原電池的負(fù)極相連，Y電極為陽(yáng)極，所以與CH₄燃料電池中通入氧氣一級(jí)相連，故答案為：O₂；
②若X、Y都是惰性電極，a是飽和NaCl溶液，Y電極上氯離子放電生成氯氣，電極反應(yīng)式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑，X電極上氫離子放電，電極反應(yīng)式為2H⁺+2e^-=H₂↑，同時(shí)該電極附近生成氫氧根離子，Y電極上氯離子放電生成氯氣，所以電池反應(yīng)式為2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，故答案為：2H⁺+2e^-=H₂↑；2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
③n（Cu）=

18.2g

64g/mol

=0.28mol，陰極發(fā)生Cu²⁺+2e^-=Cu，可知陰極得到0.56mol電子，陽(yáng)極發(fā)生：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，
則生成n（Cl₂）=0.1mol，轉(zhuǎn)移電子0.2mol，
則生成氧氣轉(zhuǎn)移電子0.36mol，生成氧氣0.09mol，
所以陽(yáng)極共生成0.19mol氣體，體積為4.256L，故答案為：4.256L；

點(diǎn)評(píng)：本題主要考查了化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡移動(dòng)、電極反應(yīng)式的書寫，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，注意把握電解方程式的書寫，為解答該題的關(guān)鍵，難度中等．