Question

【題目】研究CO2與CH4的反應使之轉化為CO和H2，對減緩燃料危機，減少溫室效應具有重要的意義。

(1)已知CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H＝＋248kJ·mol－1、△S＝310J mol-1·K-1，該反應能自發進行的溫度范圍為____________________。

(2)在密閉恒容容器中通入物質的量濃度均為0.1 mol·L－1的CH4與CO2，在一定條件下發生反應

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，測得CH4的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示。

①工業生產時一般會選用P4和1250℃進行合成，請解釋其原因__________________________。

②在壓強為P4、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡點X，則用CO表示該反應的速率為________________，該溫度下，反應的平衡常數為_____________________(保留3位有效數字)。

(3) CO和H2在工業上還可以通過反應C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2 (g)來制取，在恒溫恒容下，如果從反應物出發建立平衡，可認定已達平衡狀態的是________________________。

A．體系壓強不再變化 B．H2、CO和H2O的物質的量之比為1:1:1

C．混合氣體的密度保持不變 D．氣體平均相對分子質量保持不變

(4) 甲烷燃料電池可以提升能量利用率。下圖是利用甲烷燃料電池電解100mL 1mol·L -1食鹽水,電解一段時間后,收集到標準狀況下的氫氣2.24L(設電解后溶液體積不變)。

①甲烷燃料電池的負極反應式: _____________________________________________

②電解后溶液的pH= __________________________(忽略氯氣與氫氧化鈉溶液反應)。

③陽極產生氣體的體積在標準狀況下是 __________________L

Answer 1

【答案】大于800K 較大的壓強和溫度能加快合成速率，提高生產效率 0.032mol·L－1·min－1 1.64 ACD CH4 +2H2O -8e-=CO2 +8H+ 14 1.68

【解析】

(1)根據計算反應能自發進行的溫度范圍；(2) ①工業生產要既要考慮反應的限度又要考慮反應速率；②利用“三段式”計算反應速率和平衡常數。(3)根據平衡標志分析；(4) ①酸性條件下，甲烷在負極失電子發生發生氧化反應，生成二氧化碳和氫離子；②食鹽水中的氯化鈉的物質的量是0.1mol，若按電解食鹽水的化學方程式，當生成0.1mol氫氣時，消耗0.2mol氯化鈉，氯化鈉不足，所以先電解飽和食鹽水，后電解水。③根據得失電子守恒計算陽極產生氣體的體積。

(1)根據，反應能自發進行，所以反應能自發進行；(2) ①較大的壓強和溫度能加快合成速率，提高生產效率，所以工業生產時選用P4和1250℃進行CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)反應。②

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)

初始 0.1 0.1 0 0

轉化 0.08 0.08 0.16 0.16

平衡 0.02 0.02 0.16 0.16

用CO表示該反應的速率為0.032mol·L－1·min－1 ；該溫度下，反應的平衡常數為1.64 ； (3) A．該反應前后氣體系數和是變量，所以氣體總壓強是變量，若體系壓強不再變化，一定達到平衡狀態，故選A； B．H2、CO和H2O的物質的量之比為1:1:1時，不一定不再改變，所以反應不一定達到平衡狀態，故不選B； C．根據 ，氣體質量是變量，所以密度是變量，混合氣體的密度保持不變，一定達到平衡狀態，故選C ； D．反應正向進行，氣體平均相對分子質量減小，平均相對分子質量是變量，所以氣體平均相對分子質量保持不變，一定達到平衡狀態，故選D。(4) ①酸性條件下，甲烷在負極失電子發生發生氧化反應，生成二氧化碳和氫離子，負極反應式是CH4 +2H2O -8e-=CO2 +8H+；②食鹽水中的氯化鈉的物質的量是0.1mol，若按電解食鹽水的化學方程式，當生成0.1mol氫氣時，消耗0.2mol氯化鈉，氯化鈉不足，所以電解食鹽水開始是Cl-和H+放電，Cl-放電完畢后是OH－放電。0.1mol氯化鈉生成氫氧化鈉的物質的量是0.1mol，氫氧化鈉的濃度是 ，PH=14；③根據②的分析，陽極先生成0.05mol的氯氣，再生成氧氣，根據得失電子守恒，生成氧氣0.025mol，所以標準狀況下的體積是1.68L。