Question

【題目】CO+H2的混合氣體又稱“合成氣”，在合成有機物中應用廣泛。工業(yè)上常采用天然氣與水蒸氣或二氧化碳反應等方法來制取合成氣。請回答下列問題：

（1）已知在一定條件下，0.25molCH4 與水蒸氣完全反應制備“合成氣”時吸收51.5kJ 的熱量，請寫出該反應的熱化學方程式__________________________________________________。

（2）天然氣與CO2反應也可制備合成氣，在10L 密閉容器中通入lmolCH4 與1molCO2，在一定條件下發(fā)生反應，測得CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強的關(guān)系如下圖1所示。

①1100℃、P2時氣體混合后反應經(jīng)過10min 至x 點的平衡，用CO 的變化量表示反應速率v(CO)=_____________；

②下列選項中能表示該反應已達到平衡狀態(tài)的是____________；

A．v(H2)逆=3v (CO)正 B．密閉容器中混合氣體的密度不變

C．密閉容器中總壓強不變 D．c(CH4)=c(CO)

③由圖1可知，壓強P1_______P2 (填“大于”或“小于”)；壓強為P2時，在y點: v(正)____ v(逆) (填“大于”“小于”或“等于”)。求y點對應溫度下的該反應的平衡常數(shù)K= __________。

（3）天然氣中的H2S 雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH4HS。

已知: 25℃時，NH3·H2O 的電離常數(shù)K=1.8×10-5，H2S 的兩步電離常數(shù)分別為Ka1=1.3×10-7，Ka2=7.1×10-15。求NH4HS溶液中離子濃度大小關(guān)系_____________________(由大到小)。

（4）合成氣制甲醚的反應方程式為2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H= b kJ/mol。有研究者在催化劑、壓強為5.0MPa 的條件下，由H2和CO 直接制備甲醚，結(jié)果如圖2 所示。

①290℃前，CO轉(zhuǎn)化率和甲醚產(chǎn)率的變化趨勢不一致的原因是___________________________；

②b______0 (填“ >”或“<”或“=”) ，理由是___________________________。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H= + 206 kJ/mol 0.016mol/(L·min) C 小于 大于 1.6384 mol2/L2 c(NH4+)＞c(HS—)＞c(OH—)＞c(H+)＞c(S2—) 有副反應發(fā)生 ＜ 平衡后，升高溫度，甲醚的產(chǎn)率降低

【解析】試題分析：本題考查熱化學方程式的書寫，化學平衡的圖像分析，化學平衡的標志，化學平衡常數(shù)的計算，溶液中離子濃度大小的比較。

（1）0.25molCH4與水蒸氣完全反應制備“合成氣”時吸收51.5kJ的熱量，則1mol CH4與水蒸氣完全反應制備“合成氣”時吸收=206kJ的熱量，反應的熱化學方程式為CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）ΔH=+206kJ/mol。

（2）CH4和CO2反應制備合成氣的反應為CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）。

①由圖像知1100℃、P2時CH4的轉(zhuǎn)化率為80%，則轉(zhuǎn)化CH4物質(zhì)的量為1mol80%=0.8mol，根據(jù)方程式知生成CO物質(zhì)的量為1.6mol，υ（CO）=1.6mol10L10min=0.016mol/（L·min）。

② A，υ（H2）逆=3υ（CO）正表明逆反應速率大于正反應速率，反應沒有達到平衡狀態(tài)；B，該反應中所有物質(zhì)都是氣態(tài)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，混合氣體的質(zhì)量始終不變，容器的容積不變，混合氣體的密度始終不變，密閉容器中混合氣體的密度不變不能說明反應達到平衡狀態(tài)；C，該反應的正反應是氣體分子數(shù)增大的反應，建立平衡過程中氣體分子物質(zhì)的量增大，密閉容器中總壓強增大，平衡時氣體分子物質(zhì)的量不變，密閉容器中總壓強不變，密閉容器中總壓強不變能說明反應達到平衡狀態(tài)；D，達到平衡時各物質(zhì)的濃度保持不變，不一定相等，c（CH4）=c（CO）不能說明反應達到平衡狀態(tài)；能說明反應達到平衡狀態(tài)的是C項，答案選C。

③該反應的正反應為氣體分子數(shù)增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，CH4的轉(zhuǎn)化率減小，由圖知在相同溫度下P1時CH4的轉(zhuǎn)化率大于P2，則P1小于P2。由圖知，y點CH4轉(zhuǎn)化率小于平衡時CH4的轉(zhuǎn)化率，反應正向進行，υ（正）大于υ（逆）。y點的溫度與x點的溫度相同，y點平衡常數(shù)與x點相等，用三段式

CH4（g） + CO2（g）2CO（g）+2H2（g）

c（起始）（mol/L）0.1 0.1 0 0

c（轉(zhuǎn)化）（mol/L）0.10.8=0.08 0.08 0.16 0.16

c（平衡）（mol/L）0.02 0.02 0.16 0.16

K===1.6384（mol/L）2。

（3）HS-在溶液中既存在電離平衡又存在水解平衡，HS-的水解離子方程式為HS-+H2OH2S+OH-，HS-的水解平衡常數(shù)Kh=====7.6910-8Ka2（H2S），HS-的水解程度大于HS-的電離程度；由于K（NH3·H2O）Ka1（H2S），NH4+的水解程度小于HS-的水解程度，溶液呈堿性，則NH4HS溶液中離子濃度由大到小的順序為c（NH4+）c（HS-）c（OH-）c（H+）c（S2-）。

（4）①290℃前，CO轉(zhuǎn)化率和甲醚產(chǎn)率的變化趨勢不一致，說明在290℃前有副反應發(fā)生。

②由圖可見升高溫度，CO轉(zhuǎn)化率減小，甲醚產(chǎn)率減小，升高溫度平衡向逆反應方向移動，逆反應為吸熱反應，正反應為放熱反應，ΔH0，即b0。