Question

15．CH₄是一种重要的化石燃料，在工农业生产中有着极其重要的应用．用甲烷可以消除氮氧化物的污染，其反应如下：
CH₄（g）+2NO₂（g）?N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）．
在130℃和180℃时，分别将0.50mol CH₄和a mol NO₂充入1L的密闭容器中发生反应，测得有关数据如表：

实验编号	温度	时间/min 物质的量	0	10	20	40	50
1	130℃	n（CH4）/mol	0.50	0.35	0.25	0.10	0.10
2	180℃	n（CH4）/mol	0.50	0.30	0.18	x	0.15

（1）130℃时，达到平衡状态时CH₄的转化率为80%．当温度为180℃、反应到40min时，该反应是（填“是”或“否”）达到平衡，推断的依据是温度升高，反应加快，对比实验1，高温下比低温下更快达到平衡状态．
（2）由表中数据分析可知，该反应的△H＜0（填“=”、“＞”或“＜”），130℃和180℃平衡常数的关系：K_（130℃）＞K_（180℃）（填“=”、“＞”或“＜”）．
（3）如图1所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜．

①a电极上发生反应的电极反应式是CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
②电镀结束后，装置Ⅰ中溶液的pH减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③若完全反应后，装置Ⅱ中Cu极质量减少12.8g，则装置Ⅰ中理论上消耗甲烷1.12L（标准状况下）．
（4）用甲烷制取氢气的反应分为两步，其能量变化如图2所示：
写出甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）根据CH₄的转化率=$\frac{转化量}{起始量}$×100%进行计算；根据温度对反应速率的影响判断；
（2）根据表格数据130℃和180℃平衡时CH₄的量进行分析；
（3）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；②根据I中氢氧根离子浓度变化确定溶液pH变化；③根据转移电子相等计算消失甲烷的体积；
（4）据图写出热化学方程式，再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．

解答 解：（1）根据图表数据可知，130℃时，达到平衡状态时CH₄的物质的量为0.10mol，故转化率=$\frac{转化量}{起始量}$×100%=$\frac{0.50-0.10}{0.50}$×100%=80%，
对比实验1知，40时该反应已经达到平衡状态，温度越高，反应速率越大，反应到达平衡的时间越短，所以40时实验2已经达到平衡状态，
故答案为：80%；是；温度升高，反应加快，对比实验1，高温下比低温下更快达到平衡状态；
（2）根据表格数据及（1）中的答案发现，平衡时130℃比180℃甲烷的转化率高，说明温度越低，平衡越像正反应方向移动，所以正反应为放热反应；
温度越低，平衡越像正反应方向移动，说明温度低时平衡常数大；
故答案：＜；＞；
（3）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂，所以a处通入的气体是甲烷；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根据I中电池反应为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH参加反应导致溶液中KOH浓度降低，则溶液的pH减小，故答案为：减小；
③串联电路中转移电子相等，所以消耗甲烷的体积=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol}×2}{8}$×22.4L/mol=1.12L，故答案：1.12；
（4）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．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的判断、外界条件对反应速率及化学平衡的影响、盖斯定律以及原电池和电解池原理，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意根据电解池中Cu、Fe电极上发生的反应确定燃料电池中正负极及电极上通入的气体，再结合转移电子相等计算，难点是电极反应式的书写．