Question

【题目】对甲烷和CO2的高效利用不仅能缓解大气变暖，而且对日益枯竭的石油资源也有一定的补充作用，甲烷临氧耦合CO2重整反应有：

反应（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)　 △H=－71.4kJmol-1

反应（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0 kJmol-1

（1）写出表示CO燃烧热的热化学方程式：_______________________________。

（2）在两个体积均为2L的恒容密闭容器中，起始时按表中相应的量加入物质，在相同温度下进行反应（ii）：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) （不发生其它反应），CO2的平衡转化率如下表所示：

容器	起始物质的量(n) / mol				CO2的 平衡转化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50％
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列能说明反应达到平衡状态是_________。

A．v正(CH4) =2v逆(CO)

B．容器内各物质的浓度满足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C．容器内混合气体的总压强不再变化

D．容器内混合气体密度保持不变

②若容器Ⅰ内反应从开始到平衡所用的时间为t min，则t min内该反应的平均反应速率为：v(H2) = ________（用含t的表达式表示）。

③达到平衡时，容器Ⅰ、Ⅱ内CO的物质的量的关系满足：2n(CO)Ⅰ_______n(CO)Ⅱ（填“＞”、“＝”或“＜”）

（3）将CH4(g)和O2(g)以物质的量比为4:3充入盛有催化剂的恒容密闭容器内，发生上述反应（i）：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)，相同时间段内测得CO的体积分数[ψ(CO)]与温度（T）的关系如图如示。

① T2℃时，CO体积分数最大的原因是_____________。

②若T2℃时，容器内起始压强为P0，平衡时CO的体积分数为20％，则反应的平衡常数KP =_______（用平衡分压强代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。

（4）2016年我国科研人员根据反应Na+CO2→ Na2CO3+C（未配平） 研制出一种室温“可呼吸”Na-CO2电池。放电时该电池“吸入”CO2，充电时“呼出”CO2。其放电时的工作原理如图所示，已知吸收的全部CO2中，有转化为Na2CO3固体沉积在多壁碳纳米管（MWCNT）电极表面，写出放电时正极的电极反应式：_________________。

Answer 1

【答案】CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1 C mol·L－1·min－1 ＞ 低于T2℃时，反应未达平衡，相同时间内温度越高，反应速率越快，CO的体积分数就越高，高于T2℃时，反应达到平衡，因正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，故温度越高，CO的体积分数就越小 4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C （3CO2+4e-=2CO32－+C）

【解析】

(1) 2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)　 △H=－71.4kJmol-1 ①

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H=+247.0 kJmol-1 ②

将[①-2×②]/2得：CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1

答案为：CO(g)＋O2(g) = CO2(g) △H=－282.7kJmol-1

(2) ① A．2v正(CH4) =v逆(CO)，才是平衡状态，v正(CH4) =2v逆(CO)，不是平衡状态；

B．利用三段式进行计算

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)

起始量 0.1 0.1 0 0

变化量 0.05 0.05 0.1 0.1

平衡量 0.05 0.05 0.1 0.1

K==0.01，

通过计算可知，此反应的平衡常数为1/400，所以容器内各物质的浓度满足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)不是平衡状态；

C．因为反应前后气体的分子数不等，所以当容器内混合气体的总压强不再变化时，反应达平衡状态；

D．因为容器的体积不变，气体的总质量不变，所以容器内混合气体密度始终保持不变，从而得出结论：密度不变不一定是平衡状态。

故答案为C。

② 由上面计算可知，达平衡状态时，c(H2)=0.1mol/2L=0.05mol/L

v(H2) = 答案为mol·L－1·min－1；

③ 达到平衡时，容器Ⅱ相当于容器Ⅰ缩小体积为原来的二分之一，此时平衡逆向移动，CO的物质的量减小，也就是说比原来的二倍要小，即2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ。答案为 ＞；

(3) ①从图中可以看出，起初，随着温度的不断升高，CO体积分数不断增大，说明反应不断地向右进行；当温度到达T2℃时，再升高温度，CO体积分数不断减小，此时平衡逆向移动。也就是说，T2℃前，反应未达平衡，曲线上的每一点，都不是平衡点；T2℃后，反应达平衡，曲线上的每一点，都是该温度下的平衡点。由此也能得出，此反应为放热反应。

答案为：低于T2℃时，反应未达平衡，相同时间内温度越高，反应速率越快，CO的体积分数就越高，高于T2℃时，反应达到平衡，因正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，故温度越高，CO的体积分数就越小；

② 我们仍用三段式求解

2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)

起始量 4 3 0 0

变化量 2x x 2x 4x

平衡量 4-2x 3-x 2x 4x

x=1

答案为；

(4) 依题意知，3CO2+4e- →2Na2CO3，依据电子守恒和质量守恒，产物中应有C、反应物中应含有Na+，从而得出放电时正极的电极反应式：4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C，

答案为4Na++3CO2+4e-=2Na2CO3+C。