Question

8．碳及其化合物在科技、社会生产、生活中有着广泛的应用．请按要求回答下列问题：
（1）已知：
2CH₄（g）+3O₂（g）═2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
请写出CH₄燃烧热的热化学方程式：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ/mol．
（2）在不同温度下反应CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的平衡常数K如表：

温度/℃	600	750	900	1100	1250
平衡常数K	2.5	1.6	1	0.9	0.6

①该反应的△H＜0．（填“＞”、“=”或“＜”）．
②900℃时发生上述反应，CO₂的转化率随时间变化如图所示，若到达平衡后加压，则H₂的转化率将（填“增大”、“减小”或“不变”，下同）不变，正反应速率将增大．其他条件相同时，请在图中画出750℃时CO₂的转化率随时间变化的示意图．
③在900℃时发生上述反应，以下表中的物质的量投入恒容反应器，其中向正方向移动的组是（填编号）AD，平衡后与C中各物质的百分含量相等的组有BD（填编号）

	A	B	C	D	E
n（CO2）	3	1	0	1	1
n（H2）	2	1	0	1	2
n（CO）	1	2	3	0.5	3
n（H2O）	5	2	3	0.5	1

（3）以二甲醚（CH₃OCH₃）、空气、KOH溶液为原料可设计为燃料电池
①放电时，负极电极反应式：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．
②假设该燃料电池中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为6.72L，放电过程中没有气体逸出，则放电完毕后，所得溶液中各离子浓度由大到小的关系为c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算，①+②得到，2CH₄（g）+4O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H；
（2）①依据图中平衡常数随温度变化关系判断反应的热效应；
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）反应前后气体体积不变，改变压强平衡不移动，压强增大，容器体积减小，物质浓度增大，反应速率增大；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＜0，降低温度反应速率减慢，达到平衡用的时间变长，平衡正向移动，二氧化碳转化率提高，据此作图；
③依据图表数据可知900℃，平衡常数为：1，即c（CO₂）•c（H₂）=c（CO）•c（H₂O），要使反应向正向进行则满足c（CO₂）•c（H₂）＞c（CO）•c（H₂O），根据乘积的比值判断反应方向；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）前后气体体积不变，恒温恒容建立等比等效，投料比与C相同时，
平衡后与C中各物质的百分含量相等；
（3）①先写出燃料电池的总反应式，再写出正极的电极反应式，做差得负极电极反应式；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（KOH）与n（CO₂）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．

解答 解：（1）：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算，①+②得到，2CH₄（g）+4O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1780.6KJ/mol；
热化学方程式为：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol；
（2）①化学平衡体系中升高温度平衡向吸热反应方向移动，依据图中数据可知，温度升高，平衡常数减小，可知正向为放热反应，逆向为吸热反应，所以该反应的△H＜0，故答案为：＜；
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）反应前后气体体积不变，改变压强平衡不移动，压强增大，容器体积减小，物质浓度增大，反应速率增大；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＜0，降低温度反应速率减慢，达到平衡用的时间变长平衡正向移动，二氧化碳转化率提高，转化率随时间变化的示意图为：
；
故答案为：不变；增大；；

③依据图表数据可知900℃，平衡常数为：1，即c（CO₂）•c（H₂）=c（CO）•c（H₂O），要使反应向正向进行则满足c（CO₂）•c（H₂）＞c（CO）•c（H₂O），
A.3×2＞1×5反应向着正向移动，故A正确；
B.1×1＜2×2，反应向逆向进行，故B错误；
C.0×0＜3×3，反应向逆向进行，故C错误；
D.1×1＞0.5×0.5，反应向正向进行，故D正确；
E.1×2＜3×1，反应向逆向进行，故E错误；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）前后气体体积不变，恒温恒容建立等比等效，投料比与C相同时，
平衡后与C中各物质的百分含量相等，将各组物质转化为初始为二氧化碳和氢气投料，
C．n（CO₂）：n（H₂）为：3：3=1：1；
A．n（CO₂）：n（H₂）为：4：3与C组不相等，故A错误；
B．n（CO₂）：n（H₂）为：3：3与C组不相等，故B正确；
D．n（CO₂）：n（H₂）为：1.5：1.5与C组相等，故D正确；
E．n（CO₂）：n（H₂）为：2：3与C组不相等，故E错误；
故答案为；AD；BD；
（3）二甲醚、空气、KOH溶液为原料总电池反应方程式为：CH₃OCH₃+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+5H₂O ①
正极电极反应式为：3O₂+6H₂O+2e^-=12e^- ②
①-②得：CH₃OCH₃-12e^-+16OH ^-=2CO₃^2-+11H₂O；
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为$\frac{0.3mol×4}{8}$=0.15mol；
；n（KOH）=0.1L×3.0mol•L^-1=0.3mol，n（KOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.15mol=2：1，
发生反应2KOH+CO₂=K₂CO₃+H₂O，二者恰好反应生成碳酸钾，在K₂CO₃溶液中K₂CO₃═2K⁺+CO₃^2-，CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，CO₃^2-水解使溶液呈碱性，有c（OH^-）＞c（H⁺）；由于CO₃^-少部分水解，有c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-），H CO₃^-又发生第二步水解，有c（OH^-）＞c（HCO₃^-），第二步水解较第一步水解弱的多，那么c（OH^-）、c（H CO₃^-）相差不大，但c（H⁺）比c（OH^-）小的多，因此c（OH^-）＞c（HCO₃^-），溶液中离子浓度大小为：c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

点评 本题为综合题，为高考常见题型，题目涉及热化学方程式的书写，化学平衡常数的应用，等效平衡的判断，电池反应式的书写，离子浓度大小比较，侧重于学生的分析能力和计算能努力的考查，明确盖斯定律计算反应热方法、化学平衡常数的应用、原电池工作原理、盐类水解规律是解题关键，题目难度较大．