题目内容
工业上利用天然气（主要成分是CH4）与H2O进行高温重整制备合成气（CO+H2），CO和H2在一定条件下能制备甲醛、甲醚等多种有机物．已知CH4、H2和CO的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ?mol-1、-285.8kJ?mol-1和-283.0kJ?mol-1；18.0g水蒸气液化时的能量变化为44.0kJ．（1）写出甲烷与水蒸气在高温下反应制合成气的热化学方程式
CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1kJ?mol-1
CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1kJ?mol-1
．（2）在一定条件下，向体积固定为2L的密闭容器中充入0.40mol CH4（g）和0.60mol H2O（g），测得CH4（g）和H2（g）的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示．
3min时改变条件，反应进行到4min时，体系中各物质的物质的量如下表所示：
| t/min | n（CH4）/mol | n（H2O）/mol | n（CO）/mol | n（H2）/mol |
| 4 | 0.18 | 0.38 | 0.22 | 0.66 |
正
正
（填“正”或“逆”）反应方向移动，3min时改变的条件是升高温度
升高温度
．（3）已知温度、压强和碳水比[
| n(CH4) |
| n(H2O) |
①图l中，两条曲线所示温度的关系：t1
＜
＜
t2（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
②图2中，两条曲线所示碳水比的关系：x1
＞
＞
x2．③图3中，两条曲线所示压强的关系：p1
＞
＞
p2．（4）以天然气（假设杂质不参与反应）为原料的燃料电池示意图如图所示．
①放电时，正极的电极反应式为
O2+4e-+2H2O=4OH-
O2+4e-+2H2O=4OH-
．②假设装置中盛装100.0mL 3.0mol?L-1 KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下体积为8 960mL．放电完毕后，电解质溶液中各离子浓度的大小关系为
c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+）
c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+）
．分析：（1）根据燃烧热写出热化学方程式，利用盖斯定律计算；
（2）根据图象可知3min时，平衡时各组分的平衡浓度，再根据4min时各组分浓度变化量判断改变的条件；
（3）①根据反应的热效应判断温度对平衡移动的影响，结合图象分析解答；
②碳水比[
]值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高；
③根据压强对平衡移动影响，结合图象分析解答；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（NaOH）与n（CO2）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．
（2）根据图象可知3min时，平衡时各组分的平衡浓度，再根据4min时各组分浓度变化量判断改变的条件；
（3）①根据反应的热效应判断温度对平衡移动的影响，结合图象分析解答；
②碳水比[
| n(CH4) |
| n(H2O) |
③根据压强对平衡移动影响，结合图象分析解答；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（NaOH）与n（CO2）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．
解答：解：（1）已知：①H2（g）+
O2（g）=H2O（l）△H=-285.8kJ?mol-1
②CO（g）+
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，
利用盖斯定律将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，
故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1 kJ?mol-1；
（2）根据图象可知3min时，平衡时甲烷的浓度为0.1mol/L，氢气的浓度为0.3mol/L，则：
CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）
开始（mol/L）：0.2 0.3 0 0
变化（mol/L）：0.1 0.1 0.1 0.3
平衡（mol/L）：0.1 0.2 0.1 0.3
4min时甲烷的浓度为0.09mol/L，浓度减小0.1-0.09=0.01
水的浓度为0.19mol，浓度减小0.2-0.19=0.01；
CO的浓度为0.11，浓度增大0.11-0.1=0.01
氢气的浓度为0.33，浓度增大0.33-0.3=0.03
浓度变化量之比为1：1：1：3，等于化学计量数之比，应是改变温度平衡向正反应方向移动，该反应正反应是吸热反应，故3min改变条件为升高温度；
故答案为：正；升高温度；
（3）①该反应正反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，甲烷的含量降低，故温度t1＜t2，故答案为：＜；
②碳水比[
]值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高，故x1＞x2，故答案为：＞；
③该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，平衡时甲烷的含量降低，故p1＞p2，故答案为：＞；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子，正极电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案为：O2+4e-+2H2O=4OH-；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为
=0.4mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为
=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO2）=0.3mol：0.2mol=3：2，介于1：1与2：1之间，故生成碳酸钾、碳酸氢钾，令碳酸钾、碳酸氢钾的物质的量分别为xmol、ymol，则x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，故c（OH-）＞c（H+），碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，故c（HCO3-）＞c（CO32-），钾离子浓度最大，水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子，故c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+），
故答案为：c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+）．
| 1 |
| 2 |
②CO（g）+
| 1 |
| 2 |
③CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l））△H=-890.3kJ?mol-1，
④H2O（g）=H2O（l）△H=-44.0kJ?mol-1，
利用盖斯定律将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，
故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1 kJ?mol-1；
（2）根据图象可知3min时，平衡时甲烷的浓度为0.1mol/L，氢气的浓度为0.3mol/L，则：
CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）
开始（mol/L）：0.2 0.3 0 0
变化（mol/L）：0.1 0.1 0.1 0.3
平衡（mol/L）：0.1 0.2 0.1 0.3
4min时甲烷的浓度为0.09mol/L，浓度减小0.1-0.09=0.01
水的浓度为0.19mol，浓度减小0.2-0.19=0.01；
CO的浓度为0.11，浓度增大0.11-0.1=0.01
氢气的浓度为0.33，浓度增大0.33-0.3=0.03
浓度变化量之比为1：1：1：3，等于化学计量数之比，应是改变温度平衡向正反应方向移动，该反应正反应是吸热反应，故3min改变条件为升高温度；
故答案为：正；升高温度；
（3）①该反应正反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，甲烷的含量降低，故温度t1＜t2，故答案为：＜；
②碳水比[
| n(CH4) |
| n(H2O) |
③该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，平衡时甲烷的含量降低，故p1＞p2，故答案为：＞；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子，正极电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案为：O2+4e-+2H2O=4OH-；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为
| 8.96L |
| 22.4L/mol |
| 0.4mol×4 |
| 8 |
故答案为：c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+）．
点评：本题综合性较大，涉及热化学方程式书写、化学平衡图象、化学平衡的影响因素、化学平衡计算、原电池、化学计算、离子浓度比较等，难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查．
练习册系列答案
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