化学
甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：（1）以天然气为原料制H2是合成氨的一条重要的路线．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料气H2，其反应式如下：①CH4（g）+12O2（g）=CO（g）+2H2（g）△H1=-35.6kJ•mol-1有研究认为甲烷部分氧化的机理为：②CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H2=-890.3kJ•mol-1③CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g）△H3=247.3kJ•mol-1请结合以上条件写出CH4和H2O（g）生成C

2019-04-14

甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）以天然气为原料制H2是合成氨的一条重要的路线．甲烷的部分氧化可得到合成氨的原料气H2，其反应式如下：
①CH4（g）+
1
2
O2（g）=CO（g）+2H2（g）△H1=-35.6kJ•mol-1
有研究认为甲烷部分氧化的机理为：
②CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H2=-890.3kJ•mol-1
③CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g）△H3=247.3kJ•mol-1
请结合以上条件写出CH4和H2O（g）生成CO和H2的热化学反应方程式：______．
（2）恒温下，向一个2L的密闭容器中充入1molN2和2.6molH2，反应过程中对NH3的浓度进行检测，得到的数据如表所示：
时间/min51015202530
c（NH3）/（ mol•/L-1）0.080.140.180.200.200.20
2温度下此反应化学平衡平衡常数为______，前20min的平均速率v（H2）为______．
②能提高反应中N2的平衡转化率的是______．
A．增加N2的浓度  B．增加H2的量 C．移出部分NH3 D．提高反应温度E．减小容器的容积 F．加入合适的催化剂

（3）如图1表示合成NH3反应在某段时间t0→t6中反应速率与反应过程的曲线图，若t1时改变的条件是升高温度，则在下列到达化学平衡的时间段中，NH3的体积分数最小的一段时间是（填写下列序号，下同）______，化学平衡常数最大的一段时间是______．
A．t0→t1 B．t2→t3 C．t3→t4 D．t5→t6
t4时改变的条件是______．
（4）如图2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．
①b处电极上发生的电极反应式是______．
②电度结束后，装置I中溶液的pH______，装置Ⅱ中Cu2+的物质的量浓度______．（填写“变大”、“变小”或“不变”）
③若完全反应后，装置Ⅱ中阴极质量增加12.8g，则装置I中理论上消耗氧气（标准状况下）______L．
优质解答
（1）①CH4（g）+
1
2
O2（g）=CO（g）+2H2（g）△H1=-35.6kJ•mol-1
②CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H2=-890.3kJ•mol-1
③CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g）△H3=247.3kJ•mol-1
结合盖斯定律计算，①×2-②×
1
2
-③可知反应CH4（g）+H2O （g）=CO （g）+3H2（g）△H=①×2-②×
1
2
-③×=250.3kJ•mol-1；
故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=250.3kJ•mol-1；
（2）根据反应N2 +3H2 ⇌2NH3
初始浓度：0.5    1.3     0
变化浓度：0.1    0.3     0.2
平衡浓度：0.4    1.0     0.2
所以达到平衡时平衡常数K=
0．22
0.4×1.0
=0.1mol/L，前20min的平均速率v（H2）=
3
2
v（NH3）=
3
2
×
0.2mol/L
20min
=0.015mol/L•min；
N2 +3H2 ⇌2NH3 ，反应是气体体积减小的放热反应，平衡正向进行能提高反应中N2的平衡转化率；
A．两种反应物中增加一种会提高另一种的转化率，本身转化率减小，增加N2的浓度，氮气转化率减小，故A错误；  
B．增加H2的量会提高氮气的转化率，故B正确；
C．移出部分NH3 ，减小生成物浓度，平衡正向进行，氮气转化率增大，故C正确；
D．反应是放热反应，提高反应温度，平衡逆向进行，氮气转化率减小，故D错误；
E．减小容器的容积，增大压强，平衡正向进行，氮气转化率增大，故E正确；
 F．加入合适的催化剂改变反应速率，步步改变化学平衡，氮气转化率不变，故F错误；
故答案为：0.1mol/L；0.015mol/L•min；BCE；
（3）分析图象变化，若t1时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t3时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t4时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化，依据条件改变和平衡移动方向分析，NH3的体积分数最小的一段时间为 t5→t6，化学平衡常数随温度变化，不随浓度，压强变化，所以最大的一段时间t0→t1；上述分析可知t4改变的条件是 减小压强；
故答案为：D；A；减小压强；
（4）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；电极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-，故答案为：O2+2H2O+4e-=4OH-；
②原电池反应是碱性溶液中进行消耗氢氧根生成水，溶液PH减小；装置Ⅱ是电镀阳极电极反应可知，阳极电极反应为：Cu-2e-=Cu2+，阴极电极反应为：Cu2++2e-=Cu，铜离子浓度不变，故答案为：变小；不变；
③装置Ⅱ中阴极电极反应为Cu2++2e-=Cu，质量增加12.8g为铜物质的量为0.2mol，转移电子为0.4mol，装置I中负极电极反应为：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O理论上消耗氧气物质的量为：0，1mol，标准状况下的体积=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，故答案为：2.24． （1）①CH4（g）+
1
2
O2（g）=CO（g）+2H2（g）△H1=-35.6kJ•mol-1
②CH4（g）+2O2（g）═CO2（g）+2H2O（g）△H2=-890.3kJ•mol-1
③CH4（g）+CO2（g）═2CO（g）+2H2（g）△H3=247.3kJ•mol-1
结合盖斯定律计算，①×2-②×
1
2
-③可知反应CH4（g）+H2O （g）=CO （g）+3H2（g）△H=①×2-②×
1
2
-③×=250.3kJ•mol-1；
故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=250.3kJ•mol-1；
（2）根据反应N2 +3H2 ⇌2NH3
初始浓度：0.5    1.3     0
变化浓度：0.1    0.3     0.2
平衡浓度：0.4    1.0     0.2
所以达到平衡时平衡常数K=
0．22
0.4×1.0
=0.1mol/L，前20min的平均速率v（H2）=
3
2
v（NH3）=
3
2
×
0.2mol/L
20min
=0.015mol/L•min；
N2 +3H2 ⇌2NH3 ，反应是气体体积减小的放热反应，平衡正向进行能提高反应中N2的平衡转化率；
A．两种反应物中增加一种会提高另一种的转化率，本身转化率减小，增加N2的浓度，氮气转化率减小，故A错误；  
B．增加H2的量会提高氮气的转化率，故B正确；
C．移出部分NH3 ，减小生成物浓度，平衡正向进行，氮气转化率增大，故C正确；
D．反应是放热反应，提高反应温度，平衡逆向进行，氮气转化率减小，故D错误；
E．减小容器的容积，增大压强，平衡正向进行，氮气转化率增大，故E正确；
 F．加入合适的催化剂改变反应速率，步步改变化学平衡，氮气转化率不变，故F错误；
故答案为：0.1mol/L；0.015mol/L•min；BCE；
（3）分析图象变化，若t1时改变的条件是升高温度，平衡逆向进行，正反应是放热反应；t3时刻改变的条件是加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡；t4时刻正逆反应速率减小，平衡逆向进行，应是增大体积减小压强；平衡常数随温度变化，不随浓度、压强变化，依据条件改变和平衡移动方向分析，NH3的体积分数最小的一段时间为 t5→t6，化学平衡常数随温度变化，不随浓度，压强变化，所以最大的一段时间t0→t1；上述分析可知t4改变的条件是 减小压强；
故答案为：D；A；减小压强；
（4）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；电极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-，故答案为：O2+2H2O+4e-=4OH-；
②原电池反应是碱性溶液中进行消耗氢氧根生成水，溶液PH减小；装置Ⅱ是电镀阳极电极反应可知，阳极电极反应为：Cu-2e-=Cu2+，阴极电极反应为：Cu2++2e-=Cu，铜离子浓度不变，故答案为：变小；不变；
③装置Ⅱ中阴极电极反应为Cu2++2e-=Cu，质量增加12.8g为铜物质的量为0.2mol，转移电子为0.4mol，装置I中负极电极反应为：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O理论上消耗氧气物质的量为：0，1mol，标准状况下的体积=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，故答案为：2.24．
相关标签： 甲烷 化学 领域 应用 广泛 回答 天然气 原料 重要 路线
相关问答