Question

CO和H₂的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業(yè)原料氣，工業(yè)上利用天然氣（主要成分為CH₄）與水進行高溫重整制備合成氣．
（1）已知：CH₄、H₂和CO的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol和-283.0kJ/mol，且1mol液態(tài)水汽化時的能量變化為44.0kJ．用1m³（標準狀況）的甲烷與水蒸氣在高溫下反應制取合成氣所需的熱量為

 

（保留整數(shù)）．
（2）在一定溫度下，向體積為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O（g），測得CH₄（g）和H₂（g）的物質(zhì)的量濃度隨時間變化如下表所示：

濃度 時間/min 物質(zhì)	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol?L-1	0.13mol?L-1	0.1mol?L-1	0.1mol?L-1	0.09moˉL-1
H2	0mol?L-1	0.2mol?L-1	0.3mol?L-1	0.3mol?L-1	0.33mol?L-1

①計算該反應第一次達平衡時的平衡常數(shù)K

 

．
②3min時改變的反應條件是

 

（只填一種條件的改變即可）．
（3）已知溫度、壓強、投料比X[

n(CH4)

n(H2O)

]對該反應的影響如圖所示．

①圖1中的兩條曲線所示投料比的關(guān)系X₁

 

 X₂（填“=”、“＞”或“＜”下同）．
②圖2中兩條曲線所示的壓強比的關(guān)系：P₁

 

 P₂．
（4）以天然氣（設(shè)雜質(zhì)不參與反應）、KOH溶液為原料可設(shè)計成燃料電池：
①放電時，負極的電極反應式為

 

．
②設(shè)裝置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時參與反應的氧氣在標準狀況下的體積為8.96L，放電過程中沒有氣體逸出，則放電完畢后，所得溶液中各離子濃度由大到小的關(guān)系為

 

．

Answer 1

考點：用化學平衡常數(shù)進行計算,有關(guān)反應熱的計算,原電池和電解池的工作原理,化學平衡的影響因素

專題：

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）①反應方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）根據(jù)三行式代入平衡常數(shù)表達式進行計算；
②根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知3min時達到平衡，再根據(jù)4min時各組分濃度變化量判斷改變的條件；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率越低，含量越高；
②根據(jù)壓強對平衡移動影響，結(jié)合圖象分析解答；
（4）①甲烷燃料電池工作時，負極發(fā)生氧化反應，甲烷失電子被氧化反應；
②計算氧氣的物質(zhì)的量，進而計算生成二氧化碳的物質(zhì)的量，根據(jù)n（KOH）與n（CO₂）比例關(guān)系判斷反應產(chǎn)物，進而計算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量，結(jié)合鹽類水解與電離等判斷

解答： 解：（1）已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+

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1m³（標準狀況）的甲烷與水蒸氣在高溫下反應制取合成氣所需的熱量為

1000L

22.4L/mol

×206.1=KJ/mol=9201 kJ，故答案為：9201 kJ；
（2）①反應方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），
   初起量（mol?L^-1）：0.2         0.3           0           0
   變化量（mol?L^-1）：0.1         0.1          0.1        0.3
   平衡量（mol?L^-1）：0.1         0.2          0.1        0.3
所以K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

=

0.1×0．33

0.1×0.2

=0.135，故答案為：0.135；
②3min時改變的反應條件，反應向正反應方向進行，可能為升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度，故答案為：升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案為：＞；
 ②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，平衡時甲烷的含量增大，故p₁＞p₂，故答案為：＞；
（4）①甲烷燃料電池工作時，負極發(fā)生氧化反應，甲烷失電子被氧化反應，負極電極反應式為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②參與反應的氧氣在標準狀況下體積為8960mL，物質(zhì)的量為

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知，生成二氧化碳為

0.4mol×4

8

=0.2mol，n（KOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（KOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，發(fā)生發(fā)生2CO₂+3KOH=K₂CO₃+KHCO₃+H₂O，溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鉀離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c （HCO₃^- ）＞c （CO₃^2- ）＞c （OH^- ）＞c（ H⁺）．

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，為高考常見題型，難度中等，是對基礎(chǔ)知識與學生能力的綜合考查，注意把握化學平衡的影響因素以及圖象、數(shù)據(jù)的分析能力的培養(yǎng)．