Question

17．化学原理是中学化学学习的重要内容．请回答下列问题：
（1）①己知：CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol，则CO₂和H₂反应生成CH₄的热化学方程式是CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9kJ/mol．
②有人设想以N₂和H₂为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图1所示，电池正极的电极反应式是N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺； A是氯化铵．

（2）甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上可用合成气制备甲醇，反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），某温度下在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图2：
①从反应开始至平衡时，用CO表示化学反应速率为0.03mol/（L•min），该温度下的平衡常数为$\frac{75}{8}$；
②5min至10min时速率变化的原因可能是反应受热或使用了催化剂；
（3）甲烷，可以用来制备氢气．其反应方程式为：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol[其中投料比n（CH₄）：n（H₂O）=1：1]．
对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（P_B）代替物质的量浓度（c_B）也可表示平衡常数（记作K_P，分压=总压×物质的量分数）．平衡时CH₄的转化率与温度、压强（总压）的关系如图3所示：则p₁＜ p₂ （填“＞”或“＜”），p₂时M点的平衡常数K_P=0.066（小数点后保留3位）．

Answer 1

分析 （1）①根据燃烧热写出①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依据盖斯定律，②×4-①来计算焓变；
②电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵；
（2）①根据v=$\frac{△c}{△t}$结合图象计算CH₃OH的速率，再根据速率之比等于系数之比计算CO的化学反应速率；根据平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$及各组分的浓度计算出该反应的平衡常数；
②反应速率加快，根据升温或者使用催化剂可以使反应速率加快分析；
（3）该反应为气体体积增大的反应，当温度一定时，根据甲烷的转化率与压强的关系可判断压强大小；p₂时M点的甲烷的平衡转化率为30%，据此可计算得平衡是都只物质的浓度，再根平衡常数的定义进行计算．

解答 解：（1）①CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol；
则①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
依据盖斯定律，②×4-①得到：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1×4+890.3KJ/mol=-252.9 kJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
②该电池的本质反应是合成氨反应，电池中氢气失电子，在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，则正极反应式为N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，氨气与HCl反应生成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵溶液，
故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵；
（2）①根据图象CH₃OH的速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L•min），又速率之比等于系数之比，所以CO的化学反应速率也为0.03mol/（L•min）；又由图象可以看出平衡时氢气的物质的量为0.8mol，CO为0.4mol，CH₃OH为0.6mol，所以平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$=$\frac{75}{8}$，
故答案为：0.03mol/（L•min）；$\frac{75}{8}$；
②反应速率加快，而且在10分钟的时刻，达平衡状态，可能是反应受热或使用了催化剂，
故答案为：反应受热或使用了催化剂；
（3）该反应为气体体积增大的反应，当温度一定时，根据甲烷的转化率与压强的关系可判断压强大小知p₁时的甲烷的转化率大于 p₂ 时的，即平衡向正反应方向移动，所以，p₁＜p₂；p₂时M点的甲烷的平衡转化率为30%，设起始CH₄和H₂O的物质的是量均为amol，
则根据反应，
                CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始（mol）  a               a               0          0       
转化（mol）  0.3a      0.3a           0.3a        0.9a
平衡（mol）  0.7a        0.7a          0.3a       0.9a   
所以CH₄、H₂O、CO、H₂平衡分压分别为$\frac{0.7a}{2.6a}$=$\frac{7}{26}$、$\frac{7}{26}$、$\frac{3}{26}$、$\frac{9}{26}$，则K_P=$\frac{\frac{3}{26}×（\frac{9}{26}）^{3}}{\frac{7}{26}×\frac{7}{26}}$=0.066，
故答案为：＜； 0.066．

点评 本题考查盖斯定律的应用、原电池原理、平衡的移动和溶液中的反应等相关知识，综合性强，比较有难度．