Question

16．（1）工业上可利用“甲烷蒸气转化法”生产氢气，反应为甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下生成一氧化碳和氢气，有关反应的能量变化如图1：

则该反应的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol．
（2）已知温度、压强对甲烷平衡含量的影响如图2，请回答：
①图2中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1Mpa、2Mpa时甲烷含量曲线，其中表示1Mpa的是a．
②该反应的平衡常数：600℃时＜700℃（填“＞”“＜”或“=”）．
③已知：在700℃，1MPa时，1mol CH₄与1mol H₂O在1L的密闭容器中反应，6min达到平衡（如图3），此时CH₄的转化率为80%，该温度下反应的平衡常数为276.5mol²•L^-2（结果保留小数点后一位数字）．
④从图3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡移动的方向是向逆反应方向（填“向正反应方向”或“向逆反应方向”），采取的措施可能是将容器体积缩小为原来的$\frac{1}{2}$或加入等量的氢气．
（3）以N₂、H₂为电极反应物，以HCl-NH₄Cl为电解质溶液制造新型燃料电池，放电过程中，溶液中铵根离子浓度逐渐增大．写出该电池的正极反应式：N₂+6e^-+8H⁺═2NH₄⁺．

Answer 1

分析 （1）由图1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由盖斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H；
（2）①由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷的平衡含量会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲线a，2Mpa的是曲线b；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大；
③CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
④由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，平衡均是逆向移动；
（3）该燃料电池，氢气在负极失去电子生成氢离子，溶液中铵根离子浓度逐渐增大，说明氮气在正极得到电子后与氢离子结合生成NH₄⁺．

解答 解：（1）由图1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由盖斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=-564.3kJ/mol-3×（-241.8kJ/mol）=+161.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol；
（2）①由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷的平衡含量会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲线a，2Mpa的是曲线b，
故答案为：a；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，因此该反应的平衡常数：600℃时小于700℃，
故答案为：＜；
③CH₄（g）+H₂O（g）$?_{催化剂}^{高温}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
故答案为：80%；276.5mol²•L^-2；
④由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的$\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，无论是增大压强，还是增大氢气的浓度，平衡均是逆向移动，
故答案为：向逆反应方向；将容器体积缩小为原来的$\frac{1}{2}$或加入等量的氢气；
（3）该燃料电池，氢气在负极失去电子生成氢离子，溶液中铵根离子浓度逐渐增大，说明氮气在正极得到电子后与氢离子结合生成NH₄⁺，则正极反应式为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺，
故答案为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、化学平衡影响因素和化学平衡常数以及转化率的计算、燃料电池的电极反应式的书写，综合性较强，为历年高考高频考点，侧重于化学反应原理和图象分析能力的培养，题目难度中等．