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

③200℃时，该反应的平衡常数K =_______。

（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_________。

（4）有人设计将两根 Pt 丝作电极插入 KOH 溶液中，然后向两极上分别通入乙醇和氧气而 构成燃料电池。则此燃料电池工作时，其电极反应式为：

负极：_____________

正极：_____________

Answer 1

【答案】-a+3b+c–d<cd6.2560%C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2OO2+4e-+2H2O=4OH-

【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△H1=-a+3b+c–d kJmol-1，故答案为：-a+3b+c–d；

（2）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，故答案为：＜；

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；故答案为：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

200℃时，200℃时平衡常数K=c(CH3OH)/(c(CO)×c2(H2))=0.2/(0.2×0．42)=6.25；故答案为：6.25；

（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%，故答案为：60%；

（4）在燃料电池的负极发生氧化反应，通入的是乙醇，电极反应式为：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O；正极发生还原反应，通入的是氧气，电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案为：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O、O2+4e-+2H2O=4OH-。