Question

8．能源和環(huán)境保護是世界各國關(guān)注的熱點話題．請回答下列問題：
Ⅰ．目前“低碳經(jīng)濟”正成為科學家研究的主要課題．甲烷自熱重整是一種先進的制氫方法，其反應(yīng)方程式為CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）．
閱讀下圖1，計算該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=+161.1kJ•mol^-1．

Ⅱ．收集和利用CO₂是環(huán)境保護的熱點課題．
500℃時，在容積為1L的密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，發(fā)生如下反應(yīng)：
CO₂（g）+3H₂ （g）=CH₃OH （g）+H₂O （g）△H＜0，測得CO₂和CH₃OH的濃度與時間的關(guān)系如圖2所示．

（1）0～10min內(nèi)v（H₂）=0.225 mol/（L．min），A點含義是該條件下反應(yīng)3min時c（CO₂）=c（CH₃OH）．該反應(yīng)平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
（2）反應(yīng)在500℃達到平衡后，改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol/L逐漸增大，經(jīng)5min又達到新平衡．T＜（填“＞”、“＜”或“=”）500℃，判斷理由是改變溫度，甲醇的濃度增大，說明平衡正向移動，因為該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則T＜500℃．
（3）溫度為T時，反應(yīng)達到平衡后，將反應(yīng)容器的容積增大一倍．平衡向逆（填“正”或“逆”）反應(yīng)方向移動，判斷理由是該反應(yīng)的逆反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，增大容器容積，相當于減小壓強，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動．
Ⅲ．電化學法處理SO₂是目前研究的熱點．利用雙氧水吸收SO₂可消除SO₂污染，設(shè)計裝置如圖3所示．
（1）石墨1為負極（填“正極”或“負極”）；正極的電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O．
（2）若11.2L（標準狀況）SO₂參與反應(yīng)，則遷移H⁺的物質(zhì)的量為1mol．

Answer 1

分析 I．由能量圖，得①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
①-③×3+②得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g），焓變進行相應(yīng)的計算；
II．（1）先計算二氧化碳的平均反應(yīng)速率，再根據(jù)同一可逆反應(yīng)中同一時間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率等于其計量數(shù)之比計算氫氣平均反應(yīng)速率；A點說明該條件下該時間點兩種物質(zhì)的濃度相等；
化學平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物冪之積的比；
（2）升高溫度平衡向吸熱方向移動，降低溫度，平衡向放熱方向移動；
（3）體積增大，壓強減小，平衡向氣體體積增大的方向移動；
III．（1）該原電池中，通入二氧化硫的電極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則通入二氧化硫的電極是負極、通入雙氧水的電極是正極，正極上雙氧水得電子生成水；
（2）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子和轉(zhuǎn)移氫離子之間的關(guān)系式計算．

解答 解：Ⅰ（1）由能量圖，得①CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
①-③×3+②得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H=（-846.3+241.8×3+282）kJ•moL^-1=+161.1kJ•moL^-1；故答案為：+161.1kJ/mol；
II．（1）0～10min內(nèi)v（CO₂）=$\frac{1.00-0.25}{10}$ mol/（L．min）=0.075 mol/（L．min），再根據(jù)同一可逆反應(yīng)中同一時間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率等于其計量數(shù)之比得v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075 mol/（L．min）=0.225mol/（L．min）；A點說明該條件下反應(yīng)3min時兩種物質(zhì)的濃度相等，即c（CO₂）=c（CH₃OH）；
化學平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物冪之積的比，即K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：0.225mol/（L．min）；該條件下反應(yīng)3min時c（CO₂）=c（CH₃OH）；$\frac{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol/L逐漸增大，說明平衡正向移動，溫度要低于500℃，
故答案為：＜；改變溫度，甲醇的濃度增大，說明平衡正向移動，因為該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則T＜500℃；
（3）該反應(yīng)前后氣體體積減小，體積增大，壓強減小，平衡向氣體體積增大的方向移動，即逆向移動，
故答案為：逆；該反應(yīng)的逆反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，增大容器容積，相當于減小壓強，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動；
III．（1）該原電池中，通入二氧化硫的電極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則通入二氧化硫的電極是負極、通入雙氧水的電極是正極，正極上雙氧水得電子生成水，電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，
故答案為：負極；H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O；
（2）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，該反應(yīng)的負極反應(yīng)式為SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺，正極電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，有0.5mol二氧化硫參加反應(yīng)，有2mol氫離子在正極上發(fā)生反應(yīng)，則遷移H⁺的物質(zhì)的量為反應(yīng)的二氧化硫的2倍，為1mol，
故答案為：1mol．

點評 本題涉及化學平衡計算、反應(yīng)熱計算、原電池原理等知識點，為高頻考點，側(cè)重考查學生分析計算及知識綜合運用能力，明確外界條件對化學平衡影響及電極反應(yīng)式的書寫方法是解本題關(guān)鍵，書寫電極反應(yīng)式要結(jié)合電解質(zhì)溶液酸堿性，題目難度不大．