Question

氫氣是一種高效、清潔的新型能源．
Ⅰ．用甲烷制取氫氣的反應分為兩步，其能量變化如圖1所示：

（1）甲烷和水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式是

 

．
Ⅱ．在某容積為1L的密閉容器內(nèi)，加入0.1mol CO和 0.1mol H₂O，在催化劑存在條件下高溫加熱使其反應．測得CO₂的濃度隨時間變化的圖象如圖2下：
（2）在該溫度下，從反應開始至達到平衡時，CO的平均反應速率為

 

．
（3）該溫度下，此反應的化學平衡常數(shù)為（可以用分數(shù)表示）

 

．
（4）保持溫度不變，若起始時c（CO）=1mBLol?L^-1，c（H₂O）=2mol?L^-1，反應進行一段時間后，測得H₂的濃度為0.4mol?L^-1．通過計算，判斷此時該反應進行的方向

 

（正向、逆向）
（5）圖3為綠色電源“甲烷燃料電池”的工作原理示意圖，a電極的電極反應式為

 

．

Answer 1

考點：熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：Ⅰ（1）根據(jù)蓋斯定律來計算反應的焓變，根據(jù)熱化學方程式的書寫規(guī)律來書寫熱化學方程式；
Ⅱ（2）根據(jù)v=

△C

△t

計算二氧化碳的平均反應速率，再結(jié)合同一時間段內(nèi)同一可逆反應中，各物質(zhì)的反應速率之比等于其計量數(shù)之比計算一氧化碳的平均反應速率；
（3）根據(jù)平衡常數(shù)指各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值進行解答；
（4）該溫度下，此反應的化學；衡常數(shù)為

9

49

，根據(jù)濃度商Q_c=

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

與平衡常數(shù)K大小分析判斷，Q_c＜K_c，平衡向正反應進行，Q_c＞K_c，平衡向逆反應進行，Q_c═K_c，達平衡；
（5）根據(jù)圖3可以看出來，通甲烷的a極為負極，結(jié)合電解質(zhì)溶液寫出電極反應．

解答： 解：Ⅰ（1）根據(jù)第一步反應過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
Ⅱ（2）根據(jù)第二步反應過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1；v（CO₂）=

△C

△t

=

0.03mol/L

10mim

=0.003mol/（L．min），根據(jù)同一時間段內(nèi)同一可逆反應中，各物質(zhì)的反應速率之比等于其計量數(shù)之比計算一氧化碳的平均反應速率，所以v（CO）=v（CO₂）=0.003mol/（L．min），
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（3）利用三段式法計算，
      CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：0.1 mol?L^-1 0.1 mol?L^-10            0
轉(zhuǎn)化：0.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-10.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1
平衡：0.07 mol?L^-1 0.07 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1
因平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，所以K═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.03mol/L×0.03mol/L

0.07mol/L×0..7mol/L

=

9

49

，
故答案為：

9

49

；   
（4）利用三段式法計算，
     CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1 mol?L^-12 mol?L^-10           0
轉(zhuǎn)化：0.4 mol?L^-1 0.4mol?L^-10.4 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1
平衡：0.6 mol?L^-1 1.6 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1
濃度商Q_c═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.4 mol?L-1×0.4 mol?L-1

0.6 mol?L-1×1.6 mol?L-1

=

1

6

＜K_c =

9

49

，平衡向正反應進行，v（正）＞v（逆），
故答案為：正方向．
（5）在燃料電池中，通可燃物的一極為負極，通氧氣的極為正極，結(jié)合圖3可知，此為酸性甲烷燃料電池，甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳，故a極反應為：
CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，故答案為：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺

點評：本題考查反應速率的計算、化學平衡有關(guān)計算、化學平衡移動與影響因素等，注意平衡常數(shù)的應用、平衡移動的本質(zhì)是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．