Question

12．“CCS技术”是将工业和有关能源产业中所产生的CO₂进行捕捉与封存的技术，被认为是应对全球气候变化最重要的手段之一．一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”的简单流程如图所示（部分物质及条件未标出）：

（1）CH₄在催化剂作用下实现第一步转化，也叫CH₄的不完全燃烧，1gCH₄不完全燃烧反应放出2.21kJ热量，该反应的热化学方程式为2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72kJ•mol^-1．
（2）第二步的反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反应过程中能量变化如图1所示，反应物分子化学键断裂时所吸收的总能量小于（填“大于”、“小于”或“等于”）生成物分子化学键形成时所释放的总能量．相同温度下，若在2L密闭容器中CO（g）和H₂O（g）的起始浓度均为0.5mol•L^-1，上述反应达到平衡时放出的热量为32.8kJ，则平衡时CO的转化率为80%．
（3）工业上可用上述转化中得到的合成气制备甲醇，其反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．现将1mol CO₂和3molH₂充入容积为2L的密闭容器中发生上述反应，（见图2）下列说法正确的是BD．
A．若保持温度不变，当容器中的n（CH₃OH）：n（H₂O）为1：1时，该反应已达到平衡状态
B．若保持温度不变，当容器内气体压强恒定时，该反应已达到平衡状态
C．若其他条件不变，实验结果如图所示（T₁、T₂均大于300℃），平衡常数、：K（T₁）＜K（T₂）
D．若保持温度不变，当反应已达平衡时，再向容器中充入1molCO₂和3molH₂，当达到新平衡时，n（CH₃OH）：n（H₂）的值将升高
（4）某同学按如图3所示的装置用甲醇燃料电池（装置Ⅰ）进行电解的相关操作，以测定铜的相对原子质量，其中c电极为铜棒，d电极为石墨，X溶液为500mL0.4mol•L^-1硫酸铜溶液．当装置Ⅱ中某电极上收集到标准状况下的气体VmL时，另一电极增重mg（m＜12.8）
①装置Ⅰ中H⁺向a（填“a”或“b”）极移动；b极上的电极反应式为CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺．
②铜的相对原子质量的表达式为$\frac{11200m}{{V}_{1}}$（用含m和V的代数式表示）

Answer 1

分析 （1）根据流程图可知甲烷不完全燃烧生成一氧化碳和氢气，依据热化学方程式的书写方法写出，标注物质聚集状态和对应焓变；
（2）图象分析可知反应是放热反应，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=-41KJ/mol，形成化学键放出能量高于反应物断裂化学键吸收能量，上述反应达到平衡时放出的热量为32.8kJ，计算消耗的CO物质的量，结合转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%计算；
（3）A、无论反应是否达到平衡状态，n（CH₃OH）：n（H₂O）为1：1；
B、当反应前后改变的物理量不变时，该反应达到平衡状态；
C、根据“先拐先平数值大”判断；
D、保持温度不变，当反应已达平衡时，若向容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相当于增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动．
（4）①由装置II中某电极上收集到标准状况下的气体V₁mL时，另一电极增重mg可知，d极为阳极，而c极为阴极；
②根据阳极产生气体的体积，求出整个过程中转移电子的物质的量，然后铜的相对原子质量．

解答 解：（1）根据流程图可知甲烷不完全燃烧生成一氧化碳和氢气，1gCH₄燃烧生成一氧化碳和氢气放热2.21kJ，16g甲烷燃烧生成二氧化碳和液态水放出热量16×2.21kJ=35.36KJ，16g甲烷为1mol，则甲烷不完全燃烧的热化学方程式为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1；
（2）图象分析可知反应是放热反应，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），△H=-41KJ/mol，形成化学键放出能量高于反应物断裂化学键吸收能量，上述反应达到平衡时放出的热量为32.8kJ，计算消耗的CO物质的量=$\frac{32.8KJ}{41KJ}$×1mol=0.8mol，一氧化碳转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%=$\frac{0.8mol}{2L×0.5mol/L}$×100%=80%；
故答案为：小于；80%；
（3）A、若保持恒温，无论该反应是否达到平衡状态，容器中n（CH₃OH）：n（H₂O）始终为1：1，所以不能据此判断平衡状态，故错误；
B、该反应是反应气体体积减小的反应，若保持恒温，当容器内气体压强恒定时，该反应已达平衡状态，故正确；
C、根据“先拐先平数值大”知T₁＜T₂，升高温度，甲醇的物质的量减小，则平衡向逆反应发现移动，所以平衡常数：K（T₁）＞K （T₂），故错误；
D、保持温度不变，当反应已达平衡时，若向容器中再充入1mol CO₂和3mol H₂，相当于增大压强，平衡向正反应方向移动，且反应物的转化为大于原来平衡转化率，所以当达到新平衡时，n（CH₃OH）：n（H₂）将升高，故正确；
故选BD；
（4）①由装置II中某电极上收集到标准状况下的气体V₁mL时，另一电极增重mg可知，d极为阳极，而c极为阴极，所以与d极相连的a极为正极，原电池中阳离子向正极移动，b电极为负极是燃料发生氧化反应，反应方程式为：CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案为：a；CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺；
 ②整个过程中转移电子的物质的量为：$\frac{1{0}^{-3}×{V}_{1}}{22.4}$，所以生成铜的物质的量为：$\frac{{V}_{1}}{11200}$，所以铜的相对原子质量的表达式为$\frac{11200m}{{V}_{1}}$，故答案为：$\frac{11200m}{{V}_{1}}$．

点评 本题主要考查了化学平衡以及平衡图象分析，化学反应热、平衡的移动和电化学的相关知识，根据化学平衡的判断方法等知识点来分析解答，题目综合性强，难度中等．