Question

氢气是一种高效、清洁的新型能源．
Ⅰ．用甲烷制取氢气的反应分为两步，其能量变化如图1所示：

（1）甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是

 

．
Ⅱ．在某容积为1L的密闭容器内，加入0.1mol CO和 0.1mol H₂O，在催化剂存在条件下高温加热使其反应．测得CO₂的浓度随时间变化的图象如图2下：
（2）在该温度下，从反应开始至达到平衡时，CO的平均反应速率为

 

．
（3）该温度下，此反应的化学平衡常数为（可以用分数表示）

 

．
（4）保持温度不变，若起始时c（CO）=1mBLol?L^-1，c（H₂O）=2mol?L^-1，反应进行一段时间后，测得H₂的浓度为0.4mol?L^-1．通过计算，判断此时该反应进行的方向

 

（正向、逆向）
（5）图3为绿色电源“甲烷燃料电池”的工作原理示意图，a电极的电极反应式为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的计算

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：Ⅰ（1）根据盖斯定律来计算反应的焓变，根据热化学方程式的书写规律来书写热化学方程式；
Ⅱ（2）根据v=

△C

△t

计算二氧化碳的平均反应速率，再结合同一时间段内同一可逆反应中，各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算一氧化碳的平均反应速率；
（3）根据平衡常数指各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值进行解答；
（4）该温度下，此反应的化学；衡常数为

9

49

，根据浓度商Q_c=

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

与平衡常数K大小分析判断，Q_c＜K_c，平衡向正反应进行，Q_c＞K_c，平衡向逆反应进行，Q_c═K_c，达平衡；
（5）根据图3可以看出来，通甲烷的a极为负极，结合电解质溶液写出电极反应．

解答： 解：Ⅰ（1）根据第一步反应过程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根据第二步反应过程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根据盖斯定律，上下两式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
Ⅱ（2）根据第二步反应过程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1；v（CO₂）=

△C

△t

=

0.03mol/L

10mim

=0.003mol/（L．min），根据同一时间段内同一可逆反应中，各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算一氧化碳的平均反应速率，所以v（CO）=v（CO₂）=0.003mol/（L．min），
故答案为：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（3）利用三段式法计算，
      CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：0.1 mol?L^-1 0.1 mol?L^-10            0
转化：0.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-10.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1
平衡：0.07 mol?L^-1 0.07 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1 0.03 mol?L^-1
因平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以K═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.03mol/L×0.03mol/L

0.07mol/L×0..7mol/L

=

9

49

，
故答案为：

9

49

；   
（4）利用三段式法计算，
     CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1 mol?L^-12 mol?L^-10           0
转化：0.4 mol?L^-1 0.4mol?L^-10.4 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1
平衡：0.6 mol?L^-1 1.6 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1 0.4 mol?L^-1
浓度商Q_c═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.4 mol?L-1×0.4 mol?L-1

0.6 mol?L-1×1.6 mol?L-1

=

1

6

＜K_c =

9

49

，平衡向正反应进行，v（正）＞v（逆），
故答案为：正方向．
（5）在燃料电池中，通可燃物的一极为负极，通氧气的极为正极，结合图3可知，此为酸性甲烷燃料电池，甲烷转化为二氧化碳，故a极反应为：
CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺，故答案为：CH₄-8e^-+2H₂O=CO₂+8H⁺

点评：本题考查反应速率的计算、化学平衡有关计算、化学平衡移动与影响因素等，注意平衡常数的应用、平衡移动的本质是解答的关键，题目难度中等．