Question

(13分)天然氣的主要成分是甲烷，它是一種重要的燃料和基礎(chǔ)化工原料。

（1）以甲烷和水為原料可制取甲醇。

①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H=+206.0kJ/mol

②CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H＝—129.0kJ/mol

則CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g)的△H＝__________kJ/mol。

（2）用甲烷催化還原NOx為N2可消除氮氧化物的污染，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式_______。

（3）一定條件下，反應(yīng)CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)可以制取合成氨的原料氣H2。將1.0mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入容積為100L的反應(yīng)室，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖。已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間是5min，則用H2表示的反應(yīng)速率v(H2)=___________；該溫度時(shí)的平衡常數(shù)K=__________，該反應(yīng)的△H_______0(填“<”、“>”或“=”)。

（4）某化學(xué)小組設(shè)計(jì)如圖裝置進(jìn)行飽和NaCl溶液電解實(shí)驗(yàn)。

請(qǐng)回答下列問題：

已知每個(gè)甲烷燃料電池中盛有1.0L2.0 mol/L的KOH溶液。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，當(dāng)每個(gè)燃料電池的負(fù)極通入甲烷的體積均為33.6L，且反應(yīng)完全，則理論上電池溶液中c(K2CO3)_______c(KHCO3)(填“<”、“>”或“=”)：最多能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況氯氣的體積為________L。

Answer 1

（1）＋77.0 （2）xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O

（3）0.003mol/(L·min)；2.25×10—4（mol/L）2 ＞ （4）＜ 134.4

【解析】

試題分析：（1）已知①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H=+206.0kJ/mol,②CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H＝—129.0kJ/mol，則根據(jù)蓋斯定律可知①＋②即得到CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g)的△H＝＋77.0kJ/mol。

（2）甲烷催化還原NOx為N2可消除氮氧化物的污染，反應(yīng)中甲烷被氧化為CO2，所以反應(yīng)的化學(xué)方程式為xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O。

（3）已知100℃時(shí)達(dá)到平衡甲烷的轉(zhuǎn)化率是0.5，則消耗甲烷0.5mol，同時(shí)消耗水蒸氣0.5mol，生成CO和氫氣分步是0.5mol和1.5mol，則氫氣的濃度變化量是1.5mol÷100L＝0.0015mol/L，所以用H2表示的反應(yīng)速率v(H2)＝0.0015mol/L÷5min＝0.003mol/(L·min)；平衡時(shí)甲烷、水蒸氣、CO、氫氣的濃度分別是0.0005mol/L、0.0015mol/L、0.0005mol/L、0.0015mol/L，則平衡常數(shù)K＝。升高溫度甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，說明升高溫度平衡向正反應(yīng)方向堿性，因此正方應(yīng)是吸熱反應(yīng)，該反應(yīng)的△H＞0。

（4）消耗甲烷的物質(zhì)的量是33.6L÷22.4L/mol＝1.5mol，完全反應(yīng)生成1.5molCO2。氫氧化鉀的物質(zhì)的量是2mol，則與甲烷生成的CO2反應(yīng)生成碳酸鉀和碳酸氫鉀，設(shè)二者的物質(zhì)的量分別是xmol、ymol，則x+y＝1.5、2x+y＝2，解得x＝0.5、y＝1.0，所以碳酸鉀的物質(zhì)的量小于碳酸氫鉀。甲烷中碳元素的化合價(jià)是—2價(jià)，升高到＋4價(jià)，失去4個(gè)電子，共計(jì)失去6mol電子，由于是兩個(gè)氫氧燃料電池，則轉(zhuǎn)移電子是12mol，共計(jì)電子得失守恒可知氯氣的物質(zhì)的量是12mol÷2＝6mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積是6mol×22.4L/mol＝134.4L。

考點(diǎn)：考查蓋斯定律、氧化還原反應(yīng)、反應(yīng)速率和平衡常數(shù)、外界條件對(duì)平衡狀態(tài)的影響以及電化學(xué)原理應(yīng)用等