题目内容

【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(COH2)。CH4H2O(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

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COH2,测得CO的平衡转化率与温度和压强的关系如下图所示,200℃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_________ (“>”“<”“ = ”)0。

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____________(正向”、“逆向”)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_________

【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

2CO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,△H20②a、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;由图表可知,3min后反应达到平衡状态

COg+2H2gCH3OHg

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%。

练习册系列答案
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【题目】中科院一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯,甲烷在催化作用下脱氢,在气相中经自由基偶联反应生成乙烯,如图所示。

物质

燃烧热(kJ/mol)

氢气

285.8

甲烷

890.3

乙烯

1411.5

(1)已知相关物质的燃烧热如上表,写出甲烷制备乙烯的热化学方程式_________

(2)400℃时,向1L的恒容反应器中充入1molCH4,发生上述反应,测得平衡混合气体中C2H4的体积分数为20.0 %。则在该温度下,其平衡常数K=_______。按化学平衡移动原理,在图(a)中画出该反应的平衡转化率与温度及压强(p1>p2)的关系曲线。_______________________

(3)在制备C2H4时,通常存在副反应:2CH4(g)C2H6(g)+H2(g)。在常温下,向体积为1L的恒容反应器中充入1molCH4,然后不断升高温度,得到图(b)。

①在200℃时,测出乙烷的量比乙烯多的主要原因是_________________________

②在600℃后,乙烯的体积分数减少的主要原因是__________________________

(4)工业上常采用除杂效率高的吸收-电解联合法,除去天然气中的杂质气体H2S,并转化为可回收利用的单质硫,其装置如下图所示。

通电前,先通入一段时间含H2S的甲烷气,使部分NaOH吸收H2S转化为Na2S,再接通电源,继续通入含杂质的甲烷气,并控制好通气速率。装置中右端碳棒为_________极,左端碳棒上的电极反应为_________________________,右池中的c(NaOH):c(Na2S)______________(增大”、“基本不变减小)。

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