Question

科学家积极探索新技术对CO₂进行综合利用, CO₂可用来合成低碳烃。

CO₂(g) +4H₂(g) CH₄(g) + 2H₂O(g) ΔH= a kJ/mol

(1)已知：①4H₂（g）+ 2O₂（g）=4H₂O（g）  △H=-967.2kJ/mol．

②CH₄(g)  + 2O₂(g) =CO₂(g) + 2H₂O(g) ΔH=-802.0 kJ/mol． 

请回答：①②这两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是__________________； a=____________kJ/mol。

(2)在体积为1L的密闭刚性容器中，充入4mol H₂和1mol CO₂，测得温度对CO₂的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图1所示。

①已知M点总压为1MPa，该反应在此温度下的平衡常数Kp=______MPa^-2。(Kp是用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数，气体分压=气体总压×体积分数。）

②欲增加二氧化碳的平衡转化率，可采取的措施有__________。

A．通入惰性气体                  B．提高温度

C．增加二氧化碳浓度              D．增加氢气浓度

③下列说法正确的是_________。

A．平衡常数大小：K_N>K_M

B．其他条件不变，若不使用催化剂，则250℃ 时CO₂的平衡转化率可能位于点M₁

C．图1中M点时，甲烷的体积分数为12.5%

D．当压强或n( H₂)/n(CO₂)不变时均可证明化学反应已达到平衡状态

(3)新型高效的甲烷燃料电池工作时总反应式：CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O。

①该电池的负极是___________(填a或b)，②负极电极反应式为___________；

Answer

两个反应都放出大量的热 -165.2 1 D C a CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+

【解析】

(1)已知：①4H2(g)+ 2O2(g)=4H2O(g) △H=-967.2kJ/mol，②CH4(g) + 2O2(g) =CO2(g) + 2H2O(g) ΔH=-802.0 kJ/mol，由盖斯定律可知①-②得CO2(g) +4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)，由此计算 ΔH；

(2)①已知M点总压为1MPa，CO2的转化率为50%，则：

平衡体系中CO2的体积分数为=，H2的体积分数为=，CH4的体积分数为=，H2O的体积分数为，由此计算该反应在此温度下的平衡常数Kp；

②欲增加二氧化碳的平衡转化率，常通过控制反应条件促进平衡正向移动即可；

③A．反应是放热反应，温度升高平衡逆向进行；

B．根据图象分析；

C．图中M点时二氧化碳的转化率50%，结合化学平衡三行计算列式得到；

D．混合气体的质量不变，体积不变，所以混合气体的密度始终不变；

(3)燃料电池通O2的极为正极，负极上发生氧化反应，且外电路电子由负极流向正极。

(1)因①②这两个反应两个反应都放出大量的热，则从热力学角度分析，这两个反应趋势均很大；已知：①4H2(g)+ 2O2(g)=4H2O(g) △H=-967.2kJ/mol，②CH4(g) + 2O2(g) =CO2(g) + 2H2O(g) ΔH=-802.0 kJ/mol，由盖斯定律可知①-②得CO2(g) +4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)，则ΔH=(-967.2kJ/mol)-(-802.0 kJ/mol)=-165.2 kJ/mol= a kJ/mol，即a=-165.2；

(2)①已知M点总压为1MPa，CO2的转化率为50%，则：

平衡体系中CO2的体积分数为=，H2的体积分数为=，CH4的体积分数为=，H2O的体积分数为，由此计算该反应在此温度下的平衡常数Kp= MPa-2=1MPa-2；

②A．在恒温恒容条件下，通入惰性气体，压强增大，但不改变反应体系各物质的浓度，不改变反应速率，平衡不移动，二氧化碳的平衡转化率不变，故A错误；

B．正反应放热，提高温度，平衡逆向移动，二氧化碳的平衡转化率降低，故B错误；

C．增加二氧化碳浓度，平衡正向移动，H2的转化率增加，而二氧化碳的平衡转化率降低，故C错误；

D．增加氢气浓度，平衡正向移动，H2的转化率降低，而二氧化碳的平衡转化率增加，故D正确；

故答案为D；

③A．升高温度二氧化碳的平衡转化率减低，则升温平衡逆向移动，所以M化学平衡常数大于N，故A错误；

B．由图象可知，其他条件不变，若不使用催化剂，则250℃时CO2的平衡转化率可能位于点M，故B错误；

C．图1中M点时，由①的解析知甲烷的体积分数为=12.5%，故C正确；

D．混合气体的质量不变，体积不变，所以混合气体的密度始终不变，所以不能根据混合气体的密度来判断化学反应是否达到平衡状态，故D错误；

故答案为C；

(3)①有甲烷燃料电池总反应式：CH4+2O2=CO2+2H2O可知，通O2的极为正极，且外电路电子由负极流向正极，则a极为负极；

②负极上CH4发生氧化反应，其电极反应式为CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+。