Question

【题目】能源是人类共同关注的重要问题。页岩气是从页岩层中开采出来的一种非常重要的天然气资源，页岩气的主要成分是甲烷，是公认的洁净能源。

（1）页岩气不仅能用作燃料，还可用于生产合成气(CO和H2)。CH4与H2O(g)通入聚焦太阳能反应器，发生反应 CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1

已知：①CH4、H2、CO 的燃烧热（△H）分别为-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；

②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1

则△H1= ___________（用含字母a、b、c、d的代数式表示）kJmol-1。

（2）用合成气生成甲醇的反应为：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2，在10L恒容密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2，测得CO的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示，200℃时n(H2)随时间的变化如下表所示：

t/min	0	1	3	5
n(H2)/mol	8.0	5.4	4.0	4.0

①△H2_________ (填“>”“<”或“ = ”)0。

②下列说法正确的是____________ (填标号）。

a.温度越高，该反应的平衡常数越大

b.达平衡后再充入稀有气体，CO的转化率提高

c.容器内气体压强不再变化时，反应达到最大限度

d.图中压强p1<p2

③ 03 min内用CH3OH表示的反应速率v(CH3OH)=________mol L-1·min-1。

④ 200℃时，该反应的平衡常数K =_______。向上述200℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持温度不变，则化学平衡____________(填“正向”、“逆向”或“不”)移动。

（3）甲烷、氧气和KOH溶液可组成燃料电池。标准状况下通入5.6 L甲烷，测得电路中转移1.2 mol电子，则甲烷的利用率为_________。

Answer 1

【答案】 -a+3b+c–d < cd （或0.067） 6.25 正向 60%

【解析】（1） CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1，已知：①CH4、H2、CO 的燃烧热（△H）分别为-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1，由盖斯定律可知，②×3+③-①-④可知，则△H1=-a+3b+c–d kJmol-1。

（2）CO的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示，200℃时n(H2)随时间的变化如下表所示：，①由图示可知在恒压条件下，随着温度的升高CO的转化率降低，说明升高温度平衡逆向移动，即正反应为放热反应，△H2＜0。②a、正方向为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，故a错误；b.达平衡后再充入稀有气体，压强增大，但平衡不移动，CO的转化率不变，故b错误；c.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)，达到平衡前气体总物质的量在不断变化，当容器内气体压强不再变化时，说明混合气体的总物质的量不再改变，反应达到平衡，即反应达到最大限度，故c正确；d.、由图示可知，在恒温恒容的条件下，增大压强，平衡向正方向移动，CO的转化率增大，即图中压强p1＜p2，故d正确；故选cd；③由图表可知，3min后反应达到平衡状态

CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

起始浓度（mol·L－1） 0.4 0.8 0

变化浓度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

起始浓度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

03 min内用CH3OH表示的反应速率v（CH3OH）=0.2mol·L－1/3min=1/15mol L-1·min-1。④ 200℃时，200℃时平衡常数K=c(CH3OH)/(c(CO)×c2(H2))=0.2/(0.2×0．42)=6.25；向上述200℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2mol CO、2mol H2、2mol CH3OH，此时各物质的浓度为c（CO）=0.4mol·L－1，c（H2）=0.6mol·L－1，c（CH3OH）=0.4mol·L－1，保持温度不变，则此时Qc=c(CH3OH)/[c(CO)×c2(H2)]=0.4/(0.4×0．62)=2.78＜6.25=K，则此时平衡应向正方向移动；（3）甲烷、氧气和KOH溶液可组成燃料电池,CH4完全氧化后的产物为K2CO3，1mol甲烷完全燃烧转移电子的物质的量为[4－（-4）]mol=8mol。测得电路中转移1.2 mol电子,可知参加反应的甲烷为1.2mol/8mol ×1mol=0.15mol，标准状况下通入5.6 L甲烷的物质的量为5.6L/22.4L·mol－1=0.25mol，甲烷的利用率为0.15mol/0.25mol ×100%=60%。