Question

工業(yè)上利用天然氣(主要成分是CH4)與H2O進(jìn)行高溫重整制備合成氣(CO+H2)，CO和H2在一定條件下能制備甲醛、甲醚等多種有機(jī)物。已知CH4、H2和CO的燃燒熱(△H)分別為－890.3 kJ·mol-1、－285.8 kJ·mol-1和－283.0 kJ·mol-1；18.0 g水蒸氣液化時(shí)的能量變化為44.0 kJ。

（1）寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應(yīng)制合成氣的熱化學(xué)方程式 。

（2）在一定條件下，向體積固定為2 L的密閉容器中充人0.40mol CH4(g)和0.60mol H2O(g)，測得CH4(g)和H2(g)的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖所示。3 min時(shí)改變條件，反應(yīng)進(jìn)行到4 min時(shí)，體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量如下表所示：

t／min	n(CH4)／mol	n(H2O)／mol	n(CO)／mol	n(H2)／mo1
4	0.18	0.38	0.22	0.66

則3～4min之間，平衡向 (填“正”或“逆”)反應(yīng)方向移動(dòng)，3min時(shí)改變的條件是 。

（3）已知溫度、壓強(qiáng)和碳水比對該反應(yīng)的影響如圖所示。

①圖1中，兩條曲線所示溫度的關(guān)系:t1 t2(填“>”、“<”或“=”，下同)

②圖2中，兩條曲線所示碳水比的關(guān)系：x1 x2

③圖3中，兩條曲線所示壓強(qiáng)的關(guān)系：p1 p2

（4）以天然氣(假設(shè)雜質(zhì)不參與反應(yīng))為原料的燃料電池示意圖如圖所示。

①放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式為

②假設(shè)裝置中盛裝100.0 mL 3.0mol·L-1KOH溶液，放電時(shí)參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為8 960 mL。放電完畢后，電解質(zhì)溶液中各離子濃度的大小關(guān)系為 。

 

Answer 1

（1）CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ?H=+206.1KJ/mol；（2）正，升高溫度；（3）①<，②>，③>；（4）①O2+4e-+2H2O=4OH-，②c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)

【解析】

試題分析：（1）根據(jù)題意可得燃燒熱的化學(xué)方程式是①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ?H1=－890.3 kJ/mol；②H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l) ?H2=－285.8 kJ/mol；③CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) ?H3=－283.0 kJ/mol；④H2O(g)= H2O(l) ?H4=－44.0 kJ/mol；①－③－②×3＋④整理可得甲烷與水蒸氣在高溫下反應(yīng)制合成氣的熱化學(xué)方程式是CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ?H=+206.1KJ/mol；（2）根據(jù)圖示可知：在反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各種物質(zhì)的濃度分別是：c(CH4)=0.1mol/L；c(H2O)=0.2 mol/L ；c(CO)= 0.1mol/L ；c(H2)= 0.3mol/L.此時(shí)化學(xué)平衡常數(shù)K=,在第4min時(shí)，各種物質(zhì)的濃度分別是c(CH4)=0.09mol/L；c(H2O)=0.19 mol/L ；c(CO)= 0.11mol/L ；c(H2)= 0.33mol/L.此時(shí)各種生成物濃度冪指數(shù)的乘積與各種反應(yīng)物濃度冪指數(shù)的乘積的比是Q= 。所以3～4min之間，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，所以在3min時(shí)改變的條件是升高溫度；（3）①圖1中，由于在壓強(qiáng)相同時(shí)，在溫度為t1時(shí)甲烷的含量高于溫度為t2時(shí)甲烷的含量，根據(jù)平衡移動(dòng)原理降低溫度平衡向放熱反應(yīng)方向移動(dòng)，可知：兩條曲線所示溫度的關(guān)系:t1< t2；②根據(jù)圖2中，在相同溫度時(shí)，碳水比為x1時(shí)甲烷的平衡含量高于x2時(shí)甲烷的平衡含量，根據(jù)物質(zhì)濃度對平衡的影響，增大反應(yīng)物的濃度，可以使其它反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率提高，而其本身的轉(zhuǎn)化率反而降低可知兩條曲線所示碳水比的關(guān)系：x1>x2；③圖3中，在相同的碳水比時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡向逆向移動(dòng)，甲烷的平衡含量增大，由于在壓強(qiáng)為p1的含量高于壓強(qiáng)為p2時(shí)的含量，所以兩條曲線所示壓強(qiáng)的關(guān)系：p1>p2；（4）以天然氣為原料的燃料電池①在放電時(shí)，正極b的電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-，②n(O2)= 8.960 L÷22.4L/mol=0.4mol,則反應(yīng)的甲烷的物質(zhì)的量為0.2mol,產(chǎn)生的CO2的物質(zhì)的量是0.2mol.n(KOH)= 0.1L×3.0mol/L=0.3mol,所以在溶液中K2CO3、KHCO3的物質(zhì)的量都是0.1mol.由于K2CO3水解程度大于KHCO3，所以在溶液中c(HCO3-)>c(CO32-)。二者水解是溶液顯堿性，所以c(OH-)>c(H+)。但是鹽的水解程度是微弱的，主要還是以離子的形式存在，所以c(CO32-)>c(OH-)。根據(jù)物料守恒可知c(K+)>c(HCO3-)。所以離子濃度的大小關(guān)系是：c(K+)>c(HCO3-)> c(CO32-)>c(OH-)> c(H+)。

考點(diǎn)：考查蓋斯定律的應(yīng)用、熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡移動(dòng)、外界條件的比較、離子濃度大小比較。