Question

可燃冰(CH₄•xH₂O)位于海洋深处或冻土层中，我国的可燃冰开采技术位于世界领先地位，可燃冰开采出来后易释放CH₄气体。回答下列问题：

(1)已知CH₄(g)＋CO₂(g)⇌2CO(g)＋2H₂(g)△H=＋247kJ∙mol^－1，CO、H₂的燃烧热分别是283kJ/mol、286kJ/mol。写出能表示甲烷燃烧热的热化学方程式__________________，试从平衡移动的角度解释为何从冻土层开采出来的可燃冰易释放出CH₄__________。

(2)某科研小组向一恒容密闭容器中通入2molCH₄、2molCO₂，控制适当条件使其发生如下反应：CH₄(g)＋CO₂(g)⇌2CO(g)＋2H₂(g)△H=＋247kJ∙mol^－1，测出CH₄的某个平衡物理量X随着温度、压强的变化如图所示。

①X________(填“能”或“不能”)表示平衡体系中CH₄的体积分数；P₁、P₂的大小关系为_______；b点浓度商Q_c与对应温度下的平衡常数K相比较大的是_______。

②若容器容积为2L，a点时c(CH₄)=0.4mol/L，则相应温度下的平衡常数K=_______________，下列叙述能表明该反应已经达到平衡状态的是_________(填标号)。

a．CH₄、CO的生成速率之比等于2:1

b．CH₄与CO₂的物质的量之比不再发生变化

c．混合气体的平均相对分子质量不变

d．容器中c(CH₄)=c(CO₂)

(3)甲烷的熔融碳酸盐燃料电池是一种绿色电池，具有效率高、噪声低等优点，其工作原理如图所示，则负极上发生反应的电极反应式为_______________________，电极b上通入一定量的CO₂的原因是_____________________________。

Answer

CH4(g)+2O2(g) ⇌CO2(g)+2H2O(l)△H=-891kJ/mol CH4∙xH2O(s)⇌CH4(g)+xH2O(l)为气体分子数增大的吸热反应，外界温度升高、压强减小均有利于平衡向右移动 不能 P1＜P 2 K 12.96mol2/L2 c CH4-8e-+4=5CO2+2H2O 与O2反应生成，保持电解质的量不变

【解析】

(1)根据一氧化碳、氢气的热化学方程式和甲烷二氧化碳的热化学方程式，利用盖斯定律得到甲烷燃烧热的热化学方程式；

(2)利用勒夏特列原理分析CH4∙xH2O(s)⇌CH4(g)+xH2O(l)的平衡移动方向分析；根据温度升高，X值在增大，分析X可能的量；根据压强对平衡的移动分析；根据b点是否处于平衡状态判断；将平衡时的浓度代入平衡常数表达式得到化学平衡常数；根据化学平衡的判断依据判断；

(3)甲烷的熔融碳酸盐燃料电池的负极是甲烷，生成二氧化碳，根据化合价的变化，写出电极反应；甲烷燃料电池是绿色电池，从环保角度分析二氧化碳转化为，由此分析。

(1)CO、H2的燃烧热分别是283kJ/mol、286kJ/mol，写出一氧化碳和氢气的的燃烧热的化学方程式：①CO(g)＋O2(g)=CO2(g)△H1=-283kJ∙mol－1；②H2(g)＋O2(g)= H2O(l)△H2=-286kJ∙mol－1，③CH4(g)＋CO2(g)⇌2CO(g)＋2H2(g)△H3=＋247kJ∙mol－1，根据盖斯定律：2(①+②)+③得到甲烷燃烧热的热化学方程式，CH4(g)+2O2(g)⇌CO2(g)+2H2O(l)△H=-891kJ/mol；CH4∙xH2O(s)⇌CH4(g)+xH2O(l)是吸热反应，冻土层中温度较低，温度升高后有利于平衡正向移动，冻土层压强较大，开采出后压强较小，有利于平衡正向移动，更有利于释放出甲烷气体；

(2)反应：CH4(g)＋CO2(g)⇌2CO(g)＋2H2(g)△H=＋247kJ∙mol－1，

①压强一定时，升高温度，X表示的物理量增加，升温有利于平衡向右移动，X不能表示平衡体系中CH4的体积分数；X可以表示平衡体系中甲烷的转化率，由于正反应是气体分子数增加的反应，压强越小，越有利于平衡正向移动，甲烷的平衡转化率越大，故P1、P2的大小关系为P1＜P2；b点未达到平衡状态，此时平衡正向移动，浓度商Qc小于对应温度下的平衡常数K；

②若容器容积为2L，a点时c(CH4)=0.4mol/L，初始物质的量为2molCH4、2molCO2，甲烷和二氧化碳初始浓度分别为1mol/L，消耗的甲烷的浓度为0.6 mol/L，平衡时二氧化碳的浓度为0.4mol/L，一氧化碳和氢气的浓度为1.2 mol/L，则相应温度下的平衡常数K===12.96mol2/L2；

a．甲烷和一氧化碳的计量数之比等于1: 2，CH4、CO的生成速率之比等于1: 2时代表化学反应处于平衡状态，故a不符合题意；

b．因甲烷与二氧化碳的起始量之比与消耗量之比相等，CH4与CO2的物质的量之比不再发生变化，不能代表处于化学平衡状态，故b不符合题意；

c．由于混合气体总质量不变且反应前后气体分子数不相等，，混合气体的平均相对分子质量不变代表处于化学平衡状态，故c符合题意；

d．容器中c(CH4)和c(CO2)一直相等，是否处于平衡状态与c(CH4)和c(CO2)是否相等无必然联系，故d不符合题意；

答案选c；

(3)甲烷的熔融碳酸盐燃料电池中负极上甲烷和碳酸根作用生成二氧化碳和水，发生反应的电极反应式为CH4-8e-+4=5CO2+2H2O，由于碳酸根参与负极上的反应，为维持熔融碳酸盐浓度不变，在b电极上补充二氧化碳以便生成碳酸根。