Question

6．工業(yè)上利用天然氣（主要成分是CH₄）與H₂O進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、甲醚等多種有機物．已知CH₄、H₂和CO的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1和-283.0kJ•mol^-1；18.0g水蒸氣液化時的能量變化為44.0kJ．

（1）寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應制合成氣的熱化學方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ•mol^-1．
（2）在一定條件下，向體積固定為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄（g）和0.60mol H₂O（g），測得CH₄（g）和H₂（g）的物質的量濃度隨時間變化的曲線如圖4所示．
3min時改變條件，反應進行到t₁min時，體系中各物質的物質的量如下表所示：

t/min	n（CH4）/mol	n（H2O）/mol	n（CO）/mol	n（H2）/mol
t1	0.18	0.38	0.22	0.66

則3～t₁min之間，平衡向正（填“正”或“逆”）反應方向移動，3min時改變的條件是升高溫度．
（3）已知溫度、壓強和碳水比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O）}$]對該反應的影響如圖所示．
①圖l中，兩條曲線所示溫度的關系：t₁＜t₂（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
②圖2中，兩條曲線所示碳水比的關系：x₁＞x₂．
③圖3中，兩條曲線所示壓強的關系：p₁＞p₂．
（4）氫氣也可利用電解尿素制備．電解尿素[CO（NH₂）₂]的堿性溶液制氫的裝置示意圖5圖（電解池中隔膜僅阻止氣體通過，陰、陽極均為惰性電極）．電解時，陽極的電極反應式為CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-=CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)燃燒熱寫出熱化學方程式，利用蓋斯定律計算；
（2）根據(jù)圖象可知3min時，平衡時各組分的平衡濃度，再根據(jù)4min時各組分濃度變化量判斷改變的條件；
（3）①根據(jù)反應的熱效應判斷溫度對平衡移動的影響，結合圖象分析解答；
②碳水比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O）}$]值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高；
③根據(jù)壓強對平衡移動影響，結合圖象分析解答；
（4）由陽極排出液中含有大量的碳酸鹽成份，則尿素在陽極參與反應，N元素的化合價升高，以此來書寫電極反應．

解答 解：（1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g） ）△H=-283.0kJ•mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l））△H=-890.3kJ•mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1，
利用蓋斯定律將④+③-②-3×①可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=（-44.0kJ•mol^-1）+（-890.3kJ•mol^-1）-（-283.0kJ•mol^-1）-3×（-285.8kJ•mol^-1）=+206.1 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ•mol^-1；
（2）根據(jù)圖象可知3min時，平衡時甲烷的濃度為0.1mol/L，氫氣的濃度為0.3mol/L，則：
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：0.2      0.3      0      0
變化（mol/L）：0.1      0.1      0.1    0.3
平衡（mol/L）：0.1      0.2      0.1    0.3
4min時甲烷的濃度為0.09mol/L，濃度減小0.1-0.09=0.01
水的濃度為0.19mol，濃度減小0.2-0.19=0.01；
CO的濃度為0.11，濃度增大0.11-0.1=0.01
氫氣的濃度為0.33，濃度增大0.33-0.3=0.03
濃度變化量之比為1：1：1：3，等于化學計量數(shù)之比，應是改變溫度平衡向正反應方向移動，該反應正反應是吸熱反應，故3min改變條件為升高溫度；
故答案為：正；升高溫度；
（3）①該反應正反應為吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向移動，甲烷的含量降低，故溫度t₁＜t₂，故答案為：＜；
②碳水比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O）}$]值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案為：＞；
③該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，平衡時甲烷的含量降低，故p₁＞p₂，故答案為：＞；
（4）由陽極排出液中含有大量的碳酸鹽成份，尿素在陽極參與反應，則陽極反應式為CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O，
由圖可知，陰極生成氫氣，則陰極反應為6H₂O+6e^-═3H₂↑+6OH^-，總反應為CO（NH₂）₂+2KOH═K₂CO₃+N₂↑+3H₂↑，
故答案為：CO（NH₂）₂+8OH^--6e^-═CO₃^2-+N₂↑+6H₂O．

點評 本題綜合性較大，涉及熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、化學平衡的影響因素、化學平衡計算、原電池、化學計算、離子濃度比較等，難度中等，是對基礎知識與學生能力的綜合考查．