Question

煤制備CH₄是一種有發(fā)展前景的新技術(shù)。
I. 煤炭氣化并制備CH₄包括以下反應(yīng):
C(s)+H₂O(g)=CO(g)+H₂ (g)    ΔH ₁ = +131 kJ/mol 
CO(g) + H₂O(g)=CO₂ (g)+ H₂(g)     ΔH ₂ = ?41 kJ/mol  
CO(g) + 3H₂ (g)=CH₄ (g)+ H₂O(g)    ΔH ₃ = ?206 kJ/mol 
(1)寫出煤和氣態(tài)水制備CH₄(產(chǎn)物還有CO₂)的熱化學(xué)方程式                                   。
(2)煤轉(zhuǎn)化為水煤氣(CO和H₂)作為燃料和煤直接作為燃料相比，主要的優(yōu)點(diǎn)有                    。
(3)寫出甲烷—空氣燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)中負(fù)極的電極反應(yīng)式                      。
II. 對以上反應(yīng)CO(g)  + H₂O(g) CO₂ (g)+ H₂(g)  ΔH ₂ = ?41 kJ/mol，起始時在密閉容器中充入1.00 molCO和1.00 molH₂O，分別進(jìn)行以下實驗，探究影響平衡的因素（其它條件相同且不考慮任何副反應(yīng)的影響）。實驗條件如下表：

實驗編號	容器體積/L	溫度/°C
①	2.0	1200
②	2.0	1300
③	1.0	1200

 
(1)實驗①中c(CO₂)隨時間變化的關(guān)系見下圖，請在答題卡的框圖中，畫出實驗②和③中c(CO₂)隨時間變化關(guān)系的預(yù)期結(jié)果示意圖。

(2)在與實驗①相同的條件下，起始時充入容器的物質(zhì)的量：n(CO)=n(H₂O)=n(CO₂) =n( H₂)=1.00mol。通過計算，判斷出反應(yīng)進(jìn)行的方向。（寫出計算過程。）

Answer 1

I.（1）2C(s)+ 2H₂O(g)= CH₄ (g)+ CO₂ (g)  ΔH  = +15 kJ/mol     （3分 ）
(2)提高煤的利用率（節(jié)約能源或節(jié)約資源）（1分）、減少污染。（1分）
(3)CH₄—8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O（2分）
II. (1) 如圖所示

(2)Q＞ K  反應(yīng)向逆反應(yīng)方向（生成CO和H₂O的方向）進(jìn)行   （1分）

試題分析： I. (1) 根據(jù)蓋斯定律和已知方程式，煤和氣態(tài)水制備甲烷的熱化學(xué)方程式可由方程式①×2+②+③而得，所以ΔH=2ΔH ₁+ ΔH ₂+ΔH ₃ = +15 kJ/mol ，所以熱化學(xué)方程式為：2C(s)+ 2H₂O(g)= CH₄ (g)+ CO₂ (g)  ΔH  = +15 kJ/mol 。
(2) 煤氣化后生成水煤氣再燃燒比直接燃燒煤更加充分，提高能源利用率，同時燃煤容易產(chǎn)生酸雨，所以燃燒水煤氣還可以減少污染。
(3)用甲烷作燃料制成的堿性燃料電池中，甲烷失電子生成的CO2氣體會與溶液中的堿性介質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)生成CO32-，所以其負(fù)極的反應(yīng)式為：CH₄—8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O。
II. (1) CO(g)  + H₂O(g) CO₂ (g)+ H₂(g) 的反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，所以溫度升高，反應(yīng)的反應(yīng)速率加快，但使平衡逆向移動，實驗②曲線比實驗①曲線更快達(dá)到平衡，但是平衡時CO2的濃度要低一些；相比之下，實驗③比試驗①縮小了體積，即增大了壓強(qiáng)，由于反應(yīng)前后氣體系數(shù)不變，所以增大壓強(qiáng)只能增大化學(xué)反應(yīng)速率，但是不能改變平衡，因此實驗③的曲線比實驗①更快達(dá)到平衡，且平衡時CO2的濃度是實驗①的2倍。如圖

(2)整體思路：先根據(jù)實驗①充入的物質(zhì)的物質(zhì)的量和平衡時候CO2的濃度計算出在相同溫度下的平衡常數(shù)K，然后比較此時的濃度商Q與實驗①的K值的大小，從而得出反應(yīng)進(jìn)行的方向。
計算過程為：
(2) 平衡時n(CO₂)=0.20mol/Lx2.0L=0.40mol
CO(g)  + H₂O(g) CO₂ (g)+ H₂(g) 
起始物質(zhì)的量/mol  1.00  1.00  1.00    1.00
變化物質(zhì)的量/mol  0.40  0.40  0.40    0.40
平衡物質(zhì)的量/mol  0.60  0.60  0.40    0.40  （1分）
K=="0.44"  （2分）
Q= ==" 1.0" （1分）
Q＞ K    反應(yīng)向逆反應(yīng)方向（生成CO和H₂O的方向）進(jìn)行   （1分）