Question

【題目】甲烷是天然氣的主要成分，是一種重要的清潔能源和化工原料。

(1)用煤制天然氣時會發(fā)生多個反應(yīng)，通過多種途徑生成CH4。

已知：C(s)+2H2(g)CH4 △H=-73kJ/mol

2CO(g)C(s)+CO2(g) △H=-171kJ/mol

CO(g)+3H(g)CH4(g)+H2O(g) △H=-203kJ/mol。

寫出CO與H2O(g)反應(yīng)生成H2和CO2的熱化學方程式_________________。

(2)天然氣中含有H2S雜質(zhì)，某科研小組用氨水吸收得到NH4HS溶液，已知T℃k(NH3·H2O)=1.74×10-5；k1(H2S)=1.07×10-7，k2(H2S)=1.74×10-13，NH4HS溶液中所含粒子濃度大小關(guān)系正確的是_______。

A.c(NH4+)>c(HS-)>c(OH-)>c(H+) B.c(HS-)>c(NH4+)>(S2-)>c(H+)

C.c(NH4+)>c(HS-)>c(H2S)>c(H+) D.c(HS-)>c(S2-)>c(H+)>c(OH-)

(3)工業(yè)上常用CH4與水蒸氣在一定條件下來制取H2，其原理為：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

①一定溫度時，在一個體積為2L的恒容密閉容器中，加入lnmolCH4和1.4mol水蒸氣發(fā)生上述反應(yīng)，5min后達平衡，生成0.2molCO，用H2表示該反應(yīng)的速率為_________。此反應(yīng)的平衡常數(shù)為_____(結(jié)果保留到小數(shù)點后三位)。

②下列說法中能說明此反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是_________。

A.體系的壓強不再發(fā)生變化

B.生成1molCH4的同時消耗3molH2

C.各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變

D.體系的密度不再發(fā)生變化

E.反應(yīng)速率V(CH4):V(H2O)v(CO):v(H2)=1:1:1:3

(4)甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)：CH3OH(g)+H2O(g)==CO2(g)+3H2(g) △H=+49kJ/mol。某溫度下，將[n(H2O):n(CH3OH)]=1：1的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強為p1，反應(yīng)達到平衡時總壓強為p2，則平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為______。

(5)如圖所示，直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整。請寫出電池工作時的負極反應(yīng)式：__________________。

Answer 1

【答案】 CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) △H=-41kJ/mol AC 0.06mol/(L·min) 0.011(mol2/L2) AC CH4O-6e-+H2O→6H++CO2

【解析】（1）已知：

①C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH=-73 kJ·mol-1

②2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH=-171 kJ·mol-1

③CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)ΔH=-203 kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律可知①+②－③即得到CO與H2O(g)反應(yīng)生成H2和CO2的熱化學方程式為CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)△H＝-41 kJmol-1。

（2）根據(jù)電離平衡常數(shù)知，一水合氨電離程度大于硫化氫電離程度，所以NH4HS溶液中銨根離子水解程度小于HS-水解程度，溶液呈堿性，則c(OH-)＞c(H+)，但銨根離子和HS-離子水解程度都較小，所以離子濃度大小順序是c(NH4+)＞c(HS-)＞c(OH-)＞c(H+)；根據(jù)H2S的電離常數(shù)可判斷HS-離子的水解程度大于其電離程度，所以還存在c(NH4+)＞c(HS-)＞c(H2S)＞c(H+)，答案選AC；

（3）①5min后達平衡，生成0.2molCO，則同時生成氫氣是0.6mol，濃度是0.3mol/L，因此用H2表示該反應(yīng)的速率為0.3mol/L÷5min＝0.06 mol·L-1·min-1。平衡時剩余甲烷是0.8mol，水蒸氣是1.2mol，因此甲烷、水蒸氣、CO和氫氣的濃度分別是（mol/L）0.4、0.6、0.1、0.3，此反應(yīng)的平衡常數(shù)為0.1×0.33/0.4×0.6≈0.011。

②A.正反應(yīng)體積增大，體系的壓強不再發(fā)生變化說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，A正確；B.生成1molCH4的同時消耗3molH2均表示逆反應(yīng)速率，不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，B錯誤；C.各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，C正確；D.密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的，體系的密度不再發(fā)生變化不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，D錯誤；E.反應(yīng)速率V(CH4):V(H2O):v(CO):v(H2)=1:1:1:3不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，E錯誤；答案選AC；

（4） CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始量（mol） 11 00

轉(zhuǎn)化量（mol）nnn3n

平衡量（mol） 1－n1－nn 3n

則，解得，所以平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為。

（5）甲醇在負極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，又因為存在質(zhì)子交換膜，則負極反應(yīng)式為CH4O-6e-+H2O＝6H++CO2。