Question

甲烷和氨在國民經濟中占有重要地位。
（1）制備合成氨原料氣H₂，可用甲烷蒸汽轉化法，主要轉化反應如下：
CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)   ΔH =" +206.2" kJ/mol
CH₄(g) + 2H₂O(g)  CO₂(g) +4H₂(g)  ΔH = +165.0kJ/mol
上述反應所得原料氣中的CO能使氨合成催化劑中毒，必須除去。工業上常采用催化劑存在下CO與水蒸氣反應生成易除去的CO₂，同時又可制得等體積的氫氣的方法。此反應稱為一氧化碳變換反應，該反應的熱化學方程式是                 。
（2）工業生產尿素的原理是以NH₃和CO₂為原料合成尿素[CO(NH₂)₂]，反應的化學方程式為：2NH₃ (g)+ CO₂ (g) CO(NH₂)₂ (l) + H₂O (l)，該反應的平衡常數和溫度關系如下：

T / ℃	165	175	185	195
K	111.9	74.1	50.6	34.8

 
① 反應熱ΔH（填“＞”、“＜”或“＝”）_______0。
② 在一定溫度和壓強下，若原料氣中的NH₃和CO₂的物質的量之比（氨碳比），下圖是氨碳比（x）與CO₂平衡轉化率（α）的關系。求圖中的B點處，NH₃的平衡轉化率。

（3）已知甲烷燃料電池的工作原理如下圖所示。該電池工作時，a口放出的物質為_________，該電池正極的電極反應式為：____          ，工作一段時間后，當3.2g甲烷完全反應生成CO₂時，有         mol 電子發生轉移。

Answer 1

（16分）
（1）CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol （3分）
（2）① ＜ （2分）
②32%   （計算過程見解析）
（3）CO₂（2分）    O₂+4e^－+4H⁺=2H₂O（2分）     1.6 （2分）

解析試題分析：（1）先對已知熱化學方程式編號為①②，觀察發現②—①可得，CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)，其焓變=②的焓變—①的焓變=ΔH = －41.2 kJ/mol，由此可得一氧化碳交換反應的熱化學方程式為CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)   ΔH = －41.2 kJ/mol；（2）①讀表格中信息可得，隨著溫度的升高，該反應的平衡常數逐漸減小，根據平衡移動原理和平衡常數計算表達式可知，升高溫度平衡向吸熱方向移動，平衡常數減小時平衡向逆反應方向移動，因此逆反應是吸熱反應，正反應是放熱反應，正反應的反應熱△H<0；B點的橫坐標為4.0，縱坐標為64%，依題意可知n(NH₃)/n(CO₂)=4.0，CO₂的平衡轉化率為64%，設起始時CO₂的物質的量為1mol，則NH₃的物質的量為4.0mol，CO₂的變化物質的量為0.64mol，則：
2NH₃(g) + CO₂(g)  CO(NH₂)₂(l) + H₂O(l)
起始物質的量（mol）   4.0      1.0
變化物質的量（mol）   1.28     0.64
平衡物質的量（mol）   2.72     0.36
則NH₃的平衡轉化率：α（NH₃）= ×100% = 32%
（3）燃料電池工作時，內電路中氫離子從負極向正極移動，觀察甲烷酸性燃料電池裝置圖可知，左邊電極為負極，右邊電極為正極，甲烷在負極上發生氧化反應，生成的二氧化碳氣體難溶于酸性電解質溶液，則a口放出的物質是二氧化碳氣體；氧氣在正極上發生還原反應，根據電子、電荷、原子守恒原理可得：O₂+4e^—+4H⁺=2H₂O （注意不能寫成O₂+4e^—+2H₂O=4OH^—，因為酸性電解質溶液中不能大量存在氫氧根離子）；由于甲烷的相對分子質量為16，則3.2g甲烷的物質的量為0.2mol，負極反應式為CH₄—8e^—+2H₂O=CO₂+8H⁺，其中轉移電子與甲烷的系數之比等于物質的量之比，則轉移電子的物質的量為1.6mol。
考點：考查化學反應原理，涉及蓋斯定律、熱化學方程式的書寫、溫度對平衡移動的影響、平衡常數與反應熱的關系、平衡轉化率的計算、甲烷酸性染料電池的 電極產物、正極反應式、甲烷質量與轉移電子的物質的量的計算等。