Question

17．甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）以天然气为原料制H₂是合成氨的一条重要的路线．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料气H₂，其反应式如下：
①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ•mol^-1
有研究认为甲烷部分氧化的机理为：
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ•mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ•mol^-1
请结合以上条件写出CH₄和H₂O（g）生成CO和H₂的热化学反应方程式：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ•mol^-1．
（2）恒温下，向一个2L的密闭容器中充入1molN₂和2.6molH₂，反应过程中对NH₃的浓度进行检测，得到的数据如下表所示：

时间/min	5	10	15	20	25	30
c（NH3）/（mol/L）	0.08	0.14	0.18	0.20	0.20	0.20

①前20min的平均速率v（H₂）为0.015mol/L•min．
②能提高反应中N₂的平衡转化率的是BCE．
A．增加N₂的浓度B．增加H₂的量C．移出部分NH₃D．提高反应温度
E．减小容器的容积F．加入合适的催化剂
（3）如图表示合成NH₃反应在某段时间t₀→t₆中反应速率与反应过程的曲线图，若t₁时改变的条件是升高温度，则在下列到达化学平衡的时间段中，NH₃的体积分数最小的一段时间是（填写下列序号，下同）D，化学平衡常数最大的一段时间是A．
A．t₀→t₁   B．t₂→t₃    C．t₃→t₄   D．t₅→t₆
t₄时改变的条件是减小压强．
（4）甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）有广泛的应用．
①负极上发生的电极反应式是CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
②放电后，装置中溶液的pH变小．（填写“变大”、“变小”或“不变”）

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律来计算反应的焓变；
（2）依据图表计算氨气反应速率，反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气反应速率；能提高反应中N₂的平衡转化率，改变条件使平衡正向进行分析；
（3）分析图象变化，若t₁时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t₃时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t₄时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化；
（4）甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，原电池反应是碱性溶液中进行消耗氢氧根生成水，溶液PH减小；

解答 解：（1）①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.6kJ•mol^-1
②CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-890.3kJ•mol^-1
③CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₃=247.3kJ•mol^-1
结合盖斯定律计算，①×2-②×$\frac{1}{2}$-③可知反应CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H=①×2-②×$\frac{1}{2}$-③×=250.3kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=250.3kJ•mol^-1；
（2）前20min的平均速率v（H₂）=$\frac{3}{2}$v（NH₃）=$\frac{3}{2}$×$\frac{0.2mol/L}{20min}$=0.015mol/L•min；
N₂ +3H₂ ?2NH₃ ，反应是气体体积减小的放热反应，平衡正向进行能提高反应中N₂的平衡转化率；
A．两种反应物中增加一种会提高另一种的转化率，本身转化率减小，增加N₂的浓度，氮气转化率减小，故A错误；  
B．增加H₂的量会提高氮气的转化率，故B正确；
C．移出部分NH₃ ，减小生成物浓度，平衡正向进行，氮气转化率增大，故C正确；
D．反应是放热反应，提高反应温度，平衡逆向进行，氮气转化率减小，故D错误；
E．减小容器的容积，增大压强，平衡正向进行，氮气转化率增大，故E正确；
 F．加入合适的催化剂改变反应速率，步步改变化学平衡，氮气转化率不变，故F错误；
故答案为：0.015mol/L•min；BCE；
（3）分析图象变化，若t₁时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t₃时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t₄时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化，依据条件改变和平衡移动方向分析，NH₃的体积分数最小的一段时间为 t₅→t₆，化学平衡常数随温度变化，不随浓度，压强变化，所以最大的一段时间t₀→t₁；上述分析可知t₄改变的条件是 减小压强；
故答案为：D；A；减小压强；
（4）甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，电极反应式为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，原电池的总为CH₄+2OH^-+2O₂=CO₃^2-+3H₂O，所以反应过程中消耗氢氧根离子，溶液PH减小，
故答案为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；变小．

点评 本题考查化学平衡的计算判断，热化学方程式书写和盖斯定律计算应用，平衡影响因素的分析判断，原电池、电解池原理的计算应用和电极书写方法，图象分析方法是解题关键，题目难度中等．