Question

【題目】人口資源環(huán)境委員會副主任、中國科學(xué)院院士秦大河表示，當(dāng)前情況下散燒煤和沒有清潔的煤是造成中國城市霧霾或者東部霧霾的主要原因。煤的氣化是解決霧霾，清潔地利用煤炭的重要途徑之一。

⑴已知:H2O(g)=H2O(I) △H=-44kJ/mol

物質(zhì)	H2(g)	C(s)	CO(g)
燃燒熱kJ/mol	-285.8	-393.5	-283.0

①請寫出煤的氣化反應(yīng)生成合成氣(CO和H2)的熱化學(xué)方程式___________。

②在恒溫、恒容的反應(yīng)器中，能表明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是_______。

a.混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變

b.氣體壓強不再改變

c.各氣體濃度相等

d.反應(yīng)體系中溫度保持不變

e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍

f.混合氣體密度不變

g.單位時間內(nèi)，消耗水的質(zhì)量與生成氫氣的質(zhì)量比為9：1

⑵在催化劑作用下合成氣合成甲烷過程中會發(fā)生如下反應(yīng)：

I CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol

II CO(g)+H2O(g) = CO2(g)+H2(g) △H2= -41 kJ/mol

Ⅲ 2CO(g)+2H2(g)= CH4(g)+CO2(g) △H 3= -247.4 kJ/mol

①圖1是太原理工大學(xué)煤化工研究所利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析得到溫度對反應(yīng)ⅠInK(化學(xué)平衡常數(shù)K的自然對數(shù))的曲線圖,請分析出現(xiàn)這樣趨勢的原因是____________。

②提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是_______，根據(jù)相關(guān)知識和圖2分析合成甲烷適宜的反應(yīng)條件是

在550～630K，1MPa的原因是__________________。

③850℃時在體積為5L反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，CO和H2O(g)濃度變化如圖所示，請列式計算此條件下的平衡常數(shù)_____________ 。

(3)CH4燃料電池利用率很高，裝置中添加1L2mol/L的KOH溶液為電解質(zhì)，持續(xù)緩慢通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷22.4L～33.6 L時負(fù)極電極反應(yīng)為___________。

Answer 1

【答案】⑴① C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol ②abef ⑵在其他條件不變時,溫度升高反應(yīng)I向吸熱的逆反應(yīng)方向移動使InK減小 ② 催化劑 此條件下反應(yīng)速率較快而且甲烷產(chǎn)率較高 ③ K= = =1 (3)CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-

【解析】⑴①已知：①H2O(g)=H2O(I) △H1= -44kJ/mol ②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H2= -285.8kJ/mol ③C(s)+O2(g)=CO2 △H3= -393.5 kJ/mol ④CO(g)O2(g)=CO2 △H4= -283.0 kJ/mol；根據(jù)蓋斯定律③+①-②-④可得C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ，△H=③+①-②-④=( -393.5 kJ/mol)+(-44kJ/mol)-(-285.8kJ/mol)-(-283.0 kJ/mol)=+131.31kJ/mol，即煤的氣化反應(yīng)生成合成氣(CO和H2)的熱化學(xué)方程式為C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol：

②已知C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) 反應(yīng)物中有一種是固體，生成物方向是體積增大的方向；a.氣體的總質(zhì)量和氣體總物質(zhì)的量是不確定值，當(dāng)混合氣體平均相對分子質(zhì)量不再改變時是平衡狀態(tài)，故a正確；b.反應(yīng)混合氣體的總物質(zhì)的量是不確定的值，當(dāng)氣體壓強不再改變時，說明氣體總物質(zhì)的量不再改變，是平衡狀態(tài)，故b正確；c.各氣體濃度相等時不一定是平衡狀態(tài)，故c錯誤；d.恒溫容器，溫度保持不變，體系不一定達(dá)到平衡，故d錯誤；e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍，說明達(dá)到平衡狀態(tài)，故e正確；f.混合氣體密度不變，說明氣體的總質(zhì)量不再隨時間的變化而變化，是平衡狀態(tài)，故f正確；g.單位時間內(nèi)，消耗水的質(zhì)量與生成氫氣的質(zhì)量比為9：1，均為正反應(yīng)速率，無法判斷是平衡狀態(tài)，故g錯誤；答案為abef；

⑵①CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol此反應(yīng)正方向是放熱反應(yīng)，在其它條件不變的情況下，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減少，InK也減小；

②催化劑只改變反應(yīng)速率，不影響平衡的移動，是提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素，根據(jù)相關(guān)知識和圖2分析在在550～630K和1MPa的條件下反應(yīng)速率較快而且甲烷產(chǎn)率較高是合成甲烷適宜的反應(yīng)條件；

③ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始濃度（mol/L） 0.20 0.30 0 0

變化濃度（mol/L） 0.12 0.12 0.12 0.12

平衡濃度（mol/L） 0.08 0.18 0.12 0.12

50℃時條件下的平衡常數(shù)K= = =1；

(3)n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，22.4L＜V≤33.6L時，根據(jù)原子守恒得1mol＜n（CO2）≤1.5mol，反應(yīng)生成碳酸氫鉀，負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-。