Question

【题目】I．据报道，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰(甲烷的水合物)试采获得成功。甲烷是一种重要的化工原料。

(1)甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，除部分氧化外还有以下两种：

水蒸气重整：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol ①

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.2 kJ/mol ②

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g)CO(g)+2H2(g) △H3 ③

则反应①自发进行的条件是______________ ΔH3=________ kJ/mol。

Ⅱ．氮的化合物以及氮的固定一直是科学家研究的重要课题，合成氨则是人工固氮比较成熟的技术，其原理为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)。

(2)在不同温度、压强和相同催化剂条件下，初始N2、H2分别为0.1 mol、0.3 mol时，平衡后混合物中氨的体积分数(φ)如图所示。

①其中，p1、p2和p3由大到小的顺序是____________，该反应ΔH_______0(填“>”“<”或“=”)。

②若分别用 vA(N2)和 vB(N2)表示从反应开始至达平衡状态 A、B 时的化学反应速率，则vA(N2)________vB(N2)(填“>”“<”或“=”)。

③若在250℃、p1为10 5Pa条件下，反应达到平衡时容器的体积为1 L，则该条件下B点N2的分压p(N2)为_______Pa (分压=总压×物质的量分数，保留一位小数)。

(3)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如下图所示，石墨Ⅱ的电极名称为 _______。在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，石墨Ⅰ电极反应可表示为______________________。

Answer 1

【答案】高温 +247.1 p1>p2>p3 < < 8.3×103 正极 NO2-e-+NO3-=N2O5

【解析】

Ⅰ．(1)根据反应①的△H和△S分析自发性的条件，根据已知焓变的热化学方程式，结合盖斯定律计算所求反应的焓变；

Ⅱ．(2)①发生反应为N2+3H22NH3，随着反应进行，气体分子数减少，体系压强减少，根据图象分析；

②温度升高，化学反应速率增大；

③根据方程式计算B点N2的分压p(N2)，分压=总压×物质的量分数；

(3)在燃料电池中，通入燃料的电极为负极，失去电子，发生氧化反应，通入氧气的电极为正极，得到电子发生还原反应，结合电解质及产生的物质书写电极反应式。

I．(1)反应①方程式CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol，可知该反应的正反应△H>0，△S>0，满足△H-T△S<0，因此反应自发进行的条件是高温；

①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ/mol，

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.2 kJ/mol，

根据盖斯定律计算，①-②得到反应③的热化学方程式为：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)△H3=△H1-△H2=+247.1 kJ/mol；

II．(2)①由N2+3H22NH3可知，在温度不变时，增大压强，化学平衡正向移动，NH3的含量增大。由图象可知在相同温度下，平衡后混合物中氨的体积分数(φ)为p1>p2>p3，因此压强关系是p1>p2>p3；

在压强相同时，升高温度，NH3的含量降低，说明升高温度，化学平衡向逆反应方向移动，根据平衡移动原理，升高温度，化学平衡向吸热反应分析移动，逆反应为吸热反应，则该反应的正反应为放热反应，故反应热小于零，该反应ΔH<0；

②温度越高，压强越大，反应速率越大，由于p1>p2，由图可知，B对应的温度高、压强大，所以反应速率B>A，即vA(N2)<vB(N2)；

③设转化的氮气的物质的量为x，发生的反应为：N2+3H22NH3，由于反应开始时n(N2)=0.1 mol，n(H2)=0.3 mol，根据物质反应转化关系可知：平衡时各种气体的物质的量分别为n(N2)=(0.1-x) mol，n(H2)=(0.3-3x) mol，n(NH3)=2x mol，在相同外界条件下气体的体积比等于气体的物质的量的比，所以=0.667，解得x=0.08，若在250℃、p1为105Pa条件下，反应达到平衡时容器的体积为1 L，则该条件下B点N2的分压p(N2)= Pa=8.3×103Pa；

(3)根据图示可知：在石墨电极II一侧通入O2，为原电池的正极；在石墨电极I一侧通入燃料，为原电池的负极，NO2失去电子变为NO3-，负极的电极反应式为：NO2-e-+NO3-=N2O5。