Question

甲烷和氨在国民经济中占有重要地位。
（1）制备合成氨原料气H₂，可用甲烷蒸汽转化法，主要转化反应如下：
CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)   ΔH =" +206.2" kJ/mol
CH₄(g) + 2H₂O(g)  CO₂(g) +4H₂(g)  ΔH = +165.0kJ/mol
上述反应所得原料气中的CO能使氨合成催化剂中毒，必须除去。工业上常采用催化剂存在下CO与水蒸气反应生成易除去的CO₂，同时又可制得等体积的氢气的方法。此反应称为一氧化碳变换反应，该反应的热化学方程式是                 。
（2）工业生产尿素的原理是以NH₃和CO₂为原料合成尿素[CO(NH₂)₂]，反应的化学方程式为：2NH₃ (g)+ CO₂ (g) CO(NH₂)₂ (l) + H₂O (l)，该反应的平衡常数和温度关系如下：

T / ℃	165	175	185	195
K	111.9	74.1	50.6	34.8

 
① 反应热ΔH（填“＞”、“＜”或“＝”）_______0。
② 在一定温度和压强下，若原料气中的NH₃和CO₂的物质的量之比（氨碳比），下图是氨碳比（x）与CO₂平衡转化率（α）的关系。求图中的B点处，NH₃的平衡转化率。

（3）已知甲烷燃料电池的工作原理如下图所示。该电池工作时，a口放出的物质为_________，该电池正极的电极反应式为：____          ，工作一段时间后，当3.2g甲烷完全反应生成CO₂时，有         mol 电子发生转移。

Answer 1

（16分）
（1）CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol （3分）
（2）① ＜ （2分）
②32%   （计算过程见解析）
（3）CO₂（2分）    O₂+4e^－+4H⁺=2H₂O（2分）     1.6 （2分）

试题分析：（1）先对已知热化学方程式编号为①②，观察发现②—①可得，CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)，其焓变=②的焓变—①的焓变=ΔH = －41.2 kJ/mol，由此可得一氧化碳交换反应的热化学方程式为CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol；（2）①读表格中信息可得，随着温度的升高，该反应的平衡常数逐渐减小，根据平衡移动原理和平衡常数计算表达式可知，升高温度平衡向吸热方向移动，平衡常数减小时平衡向逆反应方向移动，因此逆反应是吸热反应，正反应是放热反应，正反应的反应热△H<0；B点的横坐标为4.0，纵坐标为64%，依题意可知n(NH₃)/n(CO₂)=4.0，CO₂的平衡转化率为64%，设起始时CO₂的物质的量为1mol，则NH₃的物质的量为4.0mol，CO₂的变化物质的量为0.64mol，则：
2NH₃(g) + CO₂(g)  CO(NH₂)₂(l) + H₂O(l)
起始物质的量（mol）   4.0      1.0
变化物质的量（mol）   1.28     0.64
平衡物质的量（mol）   2.72     0.36
则NH₃的平衡转化率：α（NH₃）= ×100% = 32%
（3）燃料电池工作时，内电路中氢离子从负极向正极移动，观察甲烷酸性燃料电池装置图可知，左边电极为负极，右边电极为正极，甲烷在负极上发生氧化反应，生成的二氧化碳气体难溶于酸性电解质溶液，则a口放出的物质是二氧化碳气体；氧气在正极上发生还原反应，根据电子、电荷、原子守恒原理可得：O₂+4e^—+4H⁺=2H₂O （注意不能写成O₂+4e^—+2H₂O=4OH^—，因为酸性电解质溶液中不能大量存在氢氧根离子）；由于甲烷的相对分子质量为16，则3.2g甲烷的物质的量为0.2mol，负极反应式为CH₄—8e^—+2H₂O=CO₂+8H⁺，其中转移电子与甲烷的系数之比等于物质的量之比，则转移电子的物质的量为1.6mol。