Question

近年来，由于温室效应和资源短缺等问题，关于CO₂和碳酸盐应用的研究受到人们的重视。某研究小组利用反应：CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g) △H＝－41.2kJ/mol ，制备CO₂与H₂的混合气体，并进一步研究CO₂与H₂以不同的体积比混合时在合适条件下的反应产物应用。
(1) 已知：850℃时在一体积为10 L的恒容密闭容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O浓度变化如图1所示：

下列说法正确的是      （填序号）

A．达到平衡时，氢气的物质的量是0.12mol

B．达到平衡时，反应体系最终会放出49.44kJ热量

C．在0—4min，混合气体的平均相对分子质量增大

D．第6min时，若升高温度，反应平衡常数会减小

E.第8min时，若充入氦气，会导致v_正(CO)＜v_逆(H₂O)
(2) 850 ℃时，若在容积为2 L的密闭容器中同时充入1.0 mol CO，3.0 mol H₂O，1.0 mol CO₂和x mol H₂。若要使上述反应开始时向正反应方向进行，则x应满足的条件是                        。
(3) 如将H₂与CO₂以4:1的体积比混合，在适当的条件下可制得CH₄。已知：
CH₄ (g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol
H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)            ΔH₂＝－285.8 kJ/mol
则CO₂(g)与H₂(g)反应生成CH₄(g)与液态水的热化学方程式是                              。
(4) 熔融盐燃料电池(见图2）是以熔融碳酸盐为电解质，以CH₄为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极。已知负极的电极反应是CH₄ +4CO₃^2－－8e^－=5CO₂+2H₂O。正极的电极反应是________。为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此电池工作时必须有部分A物质参加循环，则A物质的化学式是_________。实验过程中，若通入了标准状况下空气448 L（假设空气中O₂体积分数为20%），则熔融盐燃料电池消耗标准状况下CH₄____________L。

Answer 1

（1）BD（2分） （2）0≤x＜3（2分）
（3）CO₂(g)+4 H₂(g)＝CH₄(g)+2H₂O(l) △H＝－252.9 kJ/mol（2分）
（4）2O₂+4CO₂+8e^－＝CO₃^2－（2分）、CO₂（1分）、44.8L（2分）

试题分析：（1）A、由图可知，平衡时△c（CO）＝0.2mol/L－0.08mol/L＝0.12mol/L，浓度变化量之比等于化学计量数之比，故△c（H₂）＝△c（CO）＝0.12mol/L，则n（H₂）＝0.12mol/L×10L＝1.2mol，故A错误；B、生成1.2mol氢气，放出的热量为41.2kJ/mol×1.2mol＝49.44kJ，故B正确；C、由图可知4min时到达平衡，随反应进行，混合气体总质量不变，总物质的量也不变，所以平均相对分子质量始终不变，故C不正确；D．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，平衡常数减小，故D正确；E、第8min时，若充入氦气，压强增大，但物质的浓度不变，因此反应速率和平衡都不变，E不正确，答案选BD。
（2）由图可知，平衡时CO的浓度为0.08mol/L，则：
CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)
起始浓度（mol/L） 0.2    0.3       0       0
转化浓度（mol/L） 0.12   0.12      0.12    0.12
平衡浓度（mol/L） 0.08   0.18      0.12    0.12
故平衡常数K＝＝＝1
平衡向正反应方向移动，浓度商小于平衡常数，即＜1，解得x＜3，所以x的取值范围是0≤x＜3。
（3）根据已知反应①CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+ 2H₂O(l)   ΔH₁＝－890.3 kJ/mol、②H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(l)  ΔH₂＝－285.8 kJ/mol并结合盖斯定律可知，②×4－①即得到CO₂(g)+4 H₂(g)
＝CH₄(g)+2H₂O(l)，则该反应的反应热△H＝－285.8 kJ/mol×4＋890.3 kJ/mol＝－252.9 kJ/mol。
（4）原电池中正极得到电子，则氧气在正极通入。由于是以熔融碳酸盐为电解质，所以氧气在正极得到电子结合CO₂生成CO₃^2－，则正极电极反应式为2O₂+4CO₂+8e^－＝4CO₃^2－。由于负极产生CO₂，而正极消耗CO₂，所以参加循环的物质应该是CO₂；448L空气中氧气的体积＝448L×20×＝89.6L，标准状况下的体积＝89.6L÷22.4L/mol＝4mol，反应中得到4mol×4＝16mol电子。甲烷在反应中失去8个电子，所以根据电子得失守恒可知，消耗甲烷的物质的量是16mol÷8＝2mol，在标准状况下的体积是44.8L。