Question

7．2013年12月17日，中国国土资源部召开新闻发布会，宣布在广东沿海珠江口盆地东部海域首次钻获高纯度可燃冰．可燃冰的主要成分是甲烷，甲烷既是清洁的燃料，也是重要的化工原料．
（1）甲烷和二氧化碳重整制合成气，对于温室气体的治理具有重大意义．
已知：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
①反应2CO（g）═C（s）+CO₂（g）在一定条件下能自发进行的原因是△H＜0．
②合成甲醇的主要反应是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，T℃下此反应的平衡常数为160．某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	H2	CO	CH3OH
浓度/（mol•L-1）	0.20	0.10	0.40

比较此时正、逆反应速率的大小：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）．生产过程中，合成气要进行循环，其目的是提高原料的利用率．
③在一恒容密闭容器中，要提高反应2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g） 中CO的转化率，可以采取的措施是df．
a．升温         b．加入催化剂  c．增加CO的浓度
d．加入H₂      e．加入惰性气体       f．分离出甲醇
（2）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，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（如图）．
①B极为电池负极，电极反应式为CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O．
②若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100mL 1mol/L的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗甲烷的体积为1.12 L（标况下）．

Answer 1

分析 （1）①结合反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0分析判断；
②计算此时的浓度商Qc，与平衡常数比较，判断反应进行的方向，生产过程中，合成气要进行循环，是充分利用原料，提高原料的利用率；
③要提高CO的转化率，必须使可逆反应向正反应方向移动；
（2）①由阴离子移动方向可知B为负极，负极发生氧化反应，甲烷被氧化生成二氧化碳和水；
②开始阶段发生反应：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$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）①CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
①反应2CO（g）═C（s）+CO₂（g），反应气体体积减小△S＜0，满足在一定条件下能自发进行，△H-T△S＜0则一定存在△H＜0，反应2CO（g）═C（s）+CO₂（g）在一定条件下能自发进行的原因是△H＜0，
故答案为：△H＜0；
②①由表中数据可知，10min时氢气的浓度为0.2mol/L、CO的浓度为0.1mol/L、甲醇的浓度为0.4mol/L，则此时的浓度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常数160，故反应向正反应方向进行，故V_正＞V_逆，生产过程中，合成气要进行循环，这样可以提高原料利用率，
故答案为：＞；提高原料的利用率；　
③（3）a．该反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，故错误；
b．催化剂对平衡移动无影响，故错误；
c．增加CO的浓度，平衡向正反应方向移动，但CO的转化率降低，故错误；
d．加入H₂加压，平衡向正反应方向移动，一氧化碳的转化率增大，故正确；
e．加入惰性气体加压，参加反应的气体压强不变，平衡不移动，故错误；
f．分离出甲醇，平衡向正反应方向移动，一氧化碳的转化率增大，故正确；
故选df，
故答案为：df；
（2）①由阴离子移动方向可知B为负极，负极发生氧化反应，甲烷被氧化生成二氧化碳和水，电极方程式为CH₄+4O^2--8e^-=CO₂+2H₂O，
故答案为：负；CH₄+4O^2--8e^-=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$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+4H⁺，铜离子完全放电后，发生反应2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑，当两极收集到的气体体积相等时，即氢气与氧气的体积相等，令是氢气为xmol，根据电子转移守恒，则：0.1mol×2+2x=4x，解得x=0.1，
根据电子转移守恒，可知消耗的甲烷物质的量=$\frac{0.1mol×4}{8}$=0.05mol，故消耗甲烷的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案为：1.12 L．

点评 本题综合考查影响化学平衡移动的因素、平衡状态的判断、电化学知识，为高频考点，侧重于学生的分析、计算能力的考查，解答本题要注意把握原电池的工作原理和化学平衡移动原理，题目难度中等．