Question

5．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．寫出甲烷與水蒸氣的熱化學方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
（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）的物質的量濃度隨時間變化如下表所示：

時間/min 濃度 物質	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol•L-1	0.13mol•L-1	0.1mol•L-1	0.1mol•L-1	0.09mol•L-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)K0.135
②3min時改變的反應條件是升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 （只填一種條件的改變即可）．
（3）已知溫度、壓強、投料比X[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O}$]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系X₁＞ X₂（填“=”、“＞”或“＜”下同）．
②圖2中兩條曲線所示的壓強比的關系：P₁＞ P₂．
（4）以天然氣（設雜質不參與反應）、KOH溶液為原料可設計成燃料電池：
①放電時，負極的電極反應式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O
②設裝置中盛有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系為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

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）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，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高；
②根據(jù)壓強對平衡移動影響，結合圖象分析解答；
（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計算氧氣的物質的量，進而計算生成二氧化碳的物質的量，根據(jù)n（KOH）與n（CO₂）比例關系判斷反應產(chǎn)物，進而計算溶液中電解質物質的量，結合鹽類水解與電離等判斷離子濃度大�。�

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=+206.1kJ/mol；
（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=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.1×0．{3}^{3}}{0.1×0.2}$=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；
②KHCO₃溶液中碳酸氫根離子的水解程度大于其電離程度，所以溶液顯示堿性，則該溶液中各離子濃度由大到小的關系為，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

點評 本題綜合性較大，涉及化學平衡圖象、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)．