Question

甲烷是天然氣的主要成分，是生產(chǎn)、生活中應用非常廣泛的一種化學物質(zhì)．
（1）在一定條件下，甲烷能發(fā)生如下反應：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g）△H＞0
在其他條件不變的情況下降低溫度，逆反應速率將

 

（填“增大”“減小”或“不變”）
現(xiàn)將1.0molCH₄和2.0mol H₂O（g）通入100L反應器中，發(fā)生上述反應，10min末有0.1mol CO生成，則v_（H2）=

 

．
（2）一定條件下，用甲烷可以消除氮氧化物（NOx）的污染．已知：
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂
現(xiàn)有一份在相同條件下相對于也的密度為17的NO和NO₂的混合氣體，用16g甲烷氣體催化還原該混合氣體，恰好生成氮氣、二氧化碳和水蒸氣，共放出1042.8kJ熱量．
①該混合氣體中NO和NO₂的物質(zhì)的量之比為

 

．
②已知上述熱化學方程式中△H₁=-1160kJ/mol，則△H₂=

 

．
（3）以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖．回答下列問題：
①B電極的電極反應式為

 

．
②若用該燃料電池做電源，用石墨做電極電解100mL 2mol/L的硫酸銅溶液，當兩極收集到的氣體體積相等時，理論上消耗的甲烷的體積為

 

L（標況下），而實際上消耗的甲烷體積（折算到標況）比理論值大，可能原因為

 

．（任答一條）

Answer 1

考點：化學電源新型電池,反應熱和焓變,化學反應速率的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)溫度對速率的影響分析；根據(jù)CO的變化量求出CO的速率，再根據(jù)計量數(shù)之比等于速率比求出氫氣的速率；
（2）①相同條件下，不同氣體的摩爾質(zhì)量之比等于其密度之比，據(jù)此計算氮氧化物平均摩爾質(zhì)量，再根據(jù)平均摩爾質(zhì)量計算NO和二氧化氮的物質(zhì)的量之比；
②根據(jù)蓋斯定律確定甲烷和二氧化氮之間的方程式，根據(jù)甲烷和NO、NO₂之間的反應確定分別和NO、NO₂之間反應需要甲烷的物質(zhì)的量之比，再根據(jù)焓變進行計算；
（3）①Ⅲ（1）B為負極，總反應式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減可得負極電極反應式；
②開始階段發(fā)生反應：2Cu²⁺+2H₂O

電解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應2H₂O

電解  .

2H₂↑+O₂↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒列方程計算，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算消耗的甲烷；根據(jù)電池中的能量轉(zhuǎn)化率分析．

解答： 解：（1）降低速率，正逆反應速率都減��；10min末有0.1mol CO生成，則v（CO）=

0.1mol 100L

10min

=1×10^-4mol/（L?min），則氫氣的速率為v（H₂）=3v（CO）=3×10^-4mol/（L?min），
故答案為：減��；3×10^-4mol/（L?min）；
（2）①在相同條件下對H₂的相對密度為17的NO與NO₂的混合氣體，相同條件下，氣體的密度之比等于其摩爾質(zhì)量之比，所以混合氣體的摩爾質(zhì)量為34g/mol，設(shè)n（NO）為x，n（NO₂）為y，
混合氣體摩爾質(zhì)量=

30xg+46yg

(x+y)mol

=34g/mol，x：y=3：1，
故答案為：3：1；
②16g甲烷的物質(zhì)的量=

16g

16g/mol

=1mol，
根據(jù)蓋斯定律知，CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁
CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）；△H=0.5（△H₁+△H₂）
NO和NO₂的物質(zhì)的量之比為3：1，根據(jù)方程式知，當NO和NO₂完全轉(zhuǎn)化為氮氣時，分別和NO、NO₂反應的甲烷的物質(zhì)的量之比=

3

4

：

1

2

=3：2，則有0.6mol甲烷和NO反應、0.4mol的甲烷和NO₂反應，
0.6mol甲烷和NO反應放出的熱量=0.6mol×1160kJ/mol=696kJ，0.4mol甲烷和NO₂完全反應放出的熱量=1042.8kJ-696kJ=346.8kJ，則0.4mol甲烷和NO₂完全反應放出的熱量=0.5（△H₁+△H₂）×0.4mol=0.2mol×（1160kJ/mol+△H₂）=346.8kJ，則△H₂=

346.8kJ

0.2mol

=-574 kJ/mol，
故答案為：-574 kJ/mol；
（3）①總反應式為CH₄+2O₂+=CO₂+2H₂O，正極反應式為：2O₂+8e^-=4O^2-，兩式相減，負極反應為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+4O^2-=CO₂+2H₂O；
②硫酸銅的物質(zhì)的量=0.1L×2mol/L=0.2mol，開始階段發(fā)生反應：2Cu²⁺+2H₂O

電解  .

2Cu+O₂↑+4H⁺，銅離子完全放電后，發(fā)生反應2H₂O

電解  .

2H₂↑+O₂↑，當兩極收集到的氣體體積相等時，即氫氣與氧氣的體積相等，令是氫氣為xmol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，則：0.2mol×2+2x=4x，解得x=0.2，
根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，可知消耗的甲烷物質(zhì)的量=

0.2mol×4

8

=0.1mol，故消耗甲烷的體積=0.1mol×22.4L/mol=2.24L，
原電池中發(fā)生反應時化學能不去全部轉(zhuǎn)化為電能，即電池能量轉(zhuǎn)化率達不到100%，所以實際上消耗的甲烷的體積比理論上大；
故答案為：2.24L；電池能量轉(zhuǎn)化率達不到100%．

點評：本題綜合考查了反應速率的計算、反應熱的計算、電化學知識等，題目整體計算量較大，側(cè)重于對基礎(chǔ)知識綜合應用的考查，題目難度中等．