Question

甲烷是天然气的主要成分，是生产、生活中应用非常广泛的一种化学物质．
（1）在一定条件下，甲烷能发生如下反应：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）△H＞0
在其他条件不变的情况下降低温度，逆反应速率将

 

（填“增大”“减小”或“不变”）
现将1.0molCH₄和2.0mol H₂O（g）通入100L反应器中，发生上述反应，10min末有0.1mol CO生成，则v_（H2）=

 

．
（2）一定条件下，用甲烷可以消除氮氧化物（NOx）的污染．已知：
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
现有一份在相同条件下相对于也的密度为17的NO和NO₂的混合气体，用16g甲烷气体催化还原该混合气体，恰好生成氮气、二氧化碳和水蒸气，共放出1042.8kJ热量．
①该混合气体中NO和NO₂的物质的量之比为

 

．
②已知上述热化学方程式中△H₁=-1160kJ/mol，则△H₂=

 

．
（3）以甲烷为燃料的新型电池，其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池，目前得到广泛的研究，如图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池工作原理示意图．回答下列问题：
①B电极的电极反应式为

 

．
②若用该燃料电池做电源，用石墨做电极电解100mL 2mol/L的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗的甲烷的体积为

 

L（标况下），而实际上消耗的甲烷体积（折算到标况）比理论值大，可能原因为

 

．（任答一条）

Answer 1

考点：化学电源新型电池,反应热和焓变,化学反应速率的影响因素

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据温度对速率的影响分析；根据CO的变化量求出CO的速率，再根据计量数之比等于速率比求出氢气的速率；
（2）①相同条件下，不同气体的摩尔质量之比等于其密度之比，据此计算氮氧化物平均摩尔质量，再根据平均摩尔质量计算NO和二氧化氮的物质的量之比；
②根据盖斯定律确定甲烷和二氧化氮之间的方程式，根据甲烷和NO、NO₂之间的反应确定分别和NO、NO₂之间反应需要甲烷的物质的量之比，再根据焓变进行计算；
（3）①Ⅲ（1）B为负极，总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减可得负极电极反应式；
②开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O

电解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O

电解  .

2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒列方程计算，再根据电子转移守恒计算消耗的甲烷；根据电池中的能量转化率分析．

解答： 解：（1）降低速率，正逆反应速率都减小；10min末有0.1mol CO生成，则v（CO）=

0.1mol 100L

10min

=1×10^-4mol/（L?min），则氢气的速率为v（H₂）=3v（CO）=3×10^-4mol/（L?min），
故答案为：减小；3×10^-4mol/（L?min）；
（2）①在相同条件下对H₂的相对密度为17的NO与NO₂的混合气体，相同条件下，气体的密度之比等于其摩尔质量之比，所以混合气体的摩尔质量为34g/mol，设n（NO）为x，n（NO₂）为y，
混合气体摩尔质量=

30xg+46yg

(x+y)mol

=34g/mol，x：y=3：1，
故答案为：3：1；
②16g甲烷的物质的量=

16g

16g/mol

=1mol，
根据盖斯定律知，CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁
CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=0.5（△H₁+△H₂）
NO和NO₂的物质的量之比为3：1，根据方程式知，当NO和NO₂完全转化为氮气时，分别和NO、NO₂反应的甲烷的物质的量之比=

3

4

：

1

2

=3：2，则有0.6mol甲烷和NO反应、0.4mol的甲烷和NO₂反应，
0.6mol甲烷和NO反应放出的热量=0.6mol×1160kJ/mol=696kJ，0.4mol甲烷和NO₂完全反应放出的热量=1042.8kJ-696kJ=346.8kJ，则0.4mol甲烷和NO₂完全反应放出的热量=0.5（△H₁+△H₂）×0.4mol=0.2mol×（1160kJ/mol+△H₂）=346.8kJ，则△H₂=

346.8kJ

0.2mol

=-574 kJ/mol，
故答案为：-574 kJ/mol；
（3）①总反应式为CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正极反应式为：2O₂+8e^-=4O^2-，两式相减，负极反应为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
②硫酸铜的物质的量=0.1L×2mol/L=0.2mol，开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O

电解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O

电解  .

2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.2mol×2+2x=4x，解得x=0.2，
根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=

0.2mol×4

8

=0.1mol，故消耗甲烷的体积=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，
原电池中发生反应时化学能不去全部转化为电能，即电池能量转化率达不到100%，所以实际上消耗的甲烷的体积比理论上大；
故答案为：2.24L；电池能量转化率达不到100%．

点评：本题综合考查了反应速率的计算、反应热的计算、电化学知识等，题目整体计算量较大，侧重于对基础知识综合应用的考查，题目难度中等．