Question

CH₄既是一种重要的能源，也是一种重要的化工原料。

(1)以CH₄和空气为原料可设计成结构简单、能量转化率高、对环境无污染的燃料电池，其工作原理如图所示，通入b气体的电极反应式为____。

(2)在一定温度和催化剂作用下，CH₄与CO₂可直接转化成乙酸，这是实现“减排”的一种研究方向。

①在不同温度下，催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示，则该反应的最佳温度应控制在____左右。

②已知在101kPa、25℃时，32g CH₄与CO₂完全反应生成乙酸，放出26.6kJ热量，其热化学方程式为____。

(3)CH₄在高温下可与水蒸气发生反应：CH₄(g)＋H₂O(g)⇌CO(g)＋3H₂(g)，在体积2L的密闭容器中冲入一定量CH₄和水蒸气，反应中测得CH₄和CO物质的量随时间变化如图所示：

①从3 min到12 min，v(H₂)=______。

②能说明上述反应达到化学平衡状态的是____。

A.CH₄的体积分数保持不变

B.如图中a点处c(CH₄):c(CO)=1:1

C.容器内压强不随时间的变化而变化

D.单位时间内每生成0.3 mol H₂，同时消耗0.1 mol H₂O

Answer

O2＋4H＋＋4e－=2H2O 250℃ CH4(g)＋CO2(g)=CH3COOH(l) ΔH＝﹣13.3kJ•mol–1 0.05 mol •L–1•min–1 AC

【解析】

(1)燃料电池中，通入燃料的一极为负极，还原剂失去电子发生氧化反应，电子沿着导线流向正极，通入燃料的一极为正极，正极上发生还原反应，结合实际情况，该正极电极反应式为：O2＋4H＋＋4e－=2H2O；

(2)①分析图中数据，选择催化剂的催化效率与乙酸的生成速率大的那个温度；

②按已知条件写热化学方程式；

(3)对于CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)，①从3 min到12 min，先算出CO或甲烷的反应速率，再按比例折算求v(H2)；

②各种叙述能否说明上述反应达到化学平衡状态，只要抓住化学平衡的特征即可：平衡状态的判断方法有：判据1：对同一个物质而言正反应速率和逆反应速率相等，如υ正(H2)= υ逆(H2)，若选用不同物质的速率，若不同物质的正反应和逆反应速率等于化学计量数之比，如υ正(H2O)=υ逆(H2)，则说明已平衡，判据2：各成分的含量、也可以是物质的量或浓度保持定值、不再改变了，判据3：选定的某个物理量，一开始会随着反应的发生而变化，而当这个量不再改变的时候，就达到化学平衡状态，据此分析；

(1) 由图可知，通入气体a的一端发生氧化反应，故应通入甲烷，该极为负极，通入b为氧气，获得电子，酸性条件下生成水，正极电极反应式为：O2＋4H＋＋4e－=2H2O；

(2) ① 250℃时乙酸反应速率最大、催化活性，故选择250℃；

②已知一定条件下CH4与CO2完全反应生成乙酸，则化学方程式为：CH4＋CO2=CH3COOH，又知在101kPa、25℃时，32g CH4与CO2完全反应生成乙酸，放出26.6kJ热量，则1mol CH4与CO2完全反应生成乙酸，放出13.3kJ热量，其热化学方程式为：CH4(g)＋CO2(g)=CH3COOH(l) ΔH＝﹣13.3kJ•mol–1；

(3)①；

②对应反应CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)， A. 据分析，CH4的体积分数保持不变，能说明上述反应达到化学平衡状态，A正确；B. 如图中a点处c(CH4):c(CO)=1:1，由图知，各成分的量接着继续变化，故不能说明上述反应达到化学平衡状态，B错误；C. CH4(g)＋H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)反应中，气体的物质的量、压强会随着反应而变化，故容器内压强不随时间的变化，说明气体的物质的量不随时间变化，则说明反应已达平衡，C正确；D.不管是否平衡，单位时间内每生成0.3 mol H2，必定同时消耗0.1 mol H2O，故不能说明反应达到化学平衡状态，D错误；因此正确的选项是AC。