Question

7．CH₄和H₂O（g）可发生催化重整反应：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．
（1）每消耗8gCH₄转移3mol电子．
（2）已知：①2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₁=akJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=ckJ•mol^-1
④CH₄（g）+2H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₄
由此计算△H₄=c+3b-2akJ•mol^-1．
（3）T℃时，向1L恒容密闭容器中投入1molCH₄和1molH₂O（g），发生反应：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）
经过tmin，反应达到平衡．已知平衡时，c（CH₄）=0.5mol•L^-1
①0～tmin内，该反应的平衡反应速率v（H₂）=$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min）．
②T℃时，该反应的平衡常数K=6.75．
③当温度升高到（T+100）℃时，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，则该反应是吸热反应（填“吸热”或“放热”）．
（4）一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理示意图如图：
①该放电过程中K⁺和Na⁺向电极B（填“A”或“B”）移动．
②该电池的负极反应式为3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂．

Answer 1

分析 （1）H₂O将CH₄氧化为CO，反应中C元素化合价由-4价升高为+2价，化合价总共升高6价，该反应中转移6e^-，结合n=$\frac{m}{M}$解答；
（2）根据已知方程式构建目标方程式④，根据盖斯定律计算反应热；
（3）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₄），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
②化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
③当温度升高到（T+100）℃时，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，CO浓度增多，所以平衡向正反应方向移动，升高温度平衡向吸热的方向移动，据此分析解答；
（4）CH₄+2H₂O?CO+3H₂，原电池工作时，CO和H₂失电子在负极反应，则A为负极，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，正极B上为氧气得电子生成CO₃^2-，以此解答该题．

解答 解：（1）8gCH₄的物质的量为n=$\frac{m}{M}$=$\frac{8g}{16g/mol}$=0.5mol，CH₄和H₂O（g）可发生催化重整反应：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），反应中C元素化合价由-4价升高为+2价，化合价总共升高6价，该反应中转移6e^-，则0.5molCH₄反应转移3mol电子，
故答案为：3；
（2）①2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₁=akJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=bkJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=ckJ•mol^-1
根据盖斯定律可知：③+②×3-①×2，得到④CH₄（g）+2H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）所以△H₄=（c+3b-2a）kJ•mol^-1，
故答案为：c+3b-2a；
（3）①向1L恒容密闭容器中投入1molCH₄和1molH₂O（g），发生反应：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g），反应开始c（CH₄）=1mol•L^-1，经过tmin，反应达到平衡．已知平衡时，c（CH₄）=0.5mol•L^-1，v（CH₄）=$\frac{0.5mol/L}{tmin}$=$\frac{0.5}{t}$mol/（L•min），速率之比等于化学计量数之比，则v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{0.5}{t}$mol/（L•min）=$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min），
故答案为：$\frac{1.5}{t}$mol/（L•min）；
②T℃时，1L恒容密闭容器中CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）
                  起始量（mol）：1             1         0            0
                 变化量（mol）：0.5        0.5       0.5           1.5
                 平衡量（mol）：0.5         0.5      0.5           1.5
平衡常数K=$\frac{C（CO）×C（{H}_{2}）}{C（C{H}_{4}）×C（{H}_{2}O）}$=$\frac{（\frac{1.5}{t}）^{3}×（\frac{0.5}{t}）}{\frac{0.5}{t}×\frac{0.5}{t}}$=$\frac{6.75}{{t}^{2}}$=6.75，
故答案为：6.75；
③升高温度平衡向吸热的方向移动，T℃时，容器中c（CO）=0.5mol•L^-1，当温度升高到（T+100）℃时，容器中c（CO）=0.75mol•L^-1，CO浓度增多，平衡向正反应方向移动，所以正反应为吸热反应，
故答案为：吸热；
（4）①原电池工作时，CO和H₂失电子在负极反应，则A为负极，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，电池工作时，阳离子向正极移动，B为正极，即K⁺和Na⁺向电极B移动，
故答案为：B；
②甲烷和水蒸气反应CH₄+2H₂O?CO+3H₂，原电池工作时，A为负极，负极上CO和H₂失电子发生了氧化反应，CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，电极反应为：3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂，B为正极，正极为氧气得电子生成CO₃^2-，反应为2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-，
故答案为：3H₂+CO+4CO₃^2--8e^-=3H₂O+5CO₂．

点评 本题考查了反应热的计算、化学平衡的影响因素、化学电源新型电池，掌握盖斯定律的应用、化学平衡移动的影响因素、明确原电池中物质得失电子、电子流向、离子流向即可解答，难点是电极反应式书写，要根据电解质确定正负极产物，题目难度中等．