题目内容
【题目】将生物质气(主要成分为CO、CO2和H2)甲烷化是改善燃气质量、改善燃气热值的有效手段之一。在催化剂的作用下,某密闭容器中,进行生物质气甲烷化时发生的主要反应为
①CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) △H1;
②CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H2=-165.1kJ·mol-1;
③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H3=-41.2kJ·mol-1。
请回答下列问题:
(1)△H1=___________,该反应在___________(填“高温”或“低温”)条件下能够自发进行。
(2)在合成气投料比保持恒定时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图所示。α(CO)随温度升高而减小的原因是______________________。图中的压强由大到小的顺序为___________。
(3)温度为T1℃,在三个容积均为1L的恒容密闭容器中仅发生反应CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g),该反应中,正反应速率为v正=k正c(CO)c3(H2),逆反应速率为v逆=k逆c(CH4)·c(H2O),k正、k逆为速率常数,受温度影响。在第I个容器中,3min反应达到平衡时,CH4与CO的体积分数相同,则氢气的速率v(H2)=___________;下列说法正确的是___________(填序号)。
A.当温度改变为T2时,若k正=1.5k逆,则T2>T1
B.达平衡时,容器Ⅱ中H2的体积分数小于25%
C.达平衡时,容器Ⅲ与容器I中的总压强之比小于19︰20
D.达平衡时,容器Ⅱ中α(CO)大于容器I中α(CO)
(4)甲烷可作燃料电池的原料,若电解质为盐酸,当外电路转移16mol电子时(不考虑电子的损失),将负极产生的气体全部通入到2L1.5mol/L的NaOH溶液中充分反应,则溶液中所有离子的物质的量浓度由大到小的顺序是______________________。
【答案】-206.3kJ·mol-1 低温 反应①与反应③皆为放热反应,温废升高,平衡向左移动,使得CO的转化率减小 P3>P2>P1 v(H2)=1mol·L-1·min-1 C c(Na+)>c(HCO3-)> c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)
【解析】
第(1)问从盖斯定律和反应能否自发进行角度分析,第(2)、(3)问从温度、压强对化学平衡的影响分析,第(4)问注意水解程度:CO32->HCO3-,即可比较离子浓度大小。
(1)由盖斯定律,△H1=△H2+△H3=-165.1+(-41.2)=-206.3kJ·mol-1;反应后气体体积变小,是一个熵减的反应(ΔS<0),由△H-T△S可知ΔH<0,ΔS<0在低温下能自发进行;
(2)反应①与反应③皆为放热反应,温废升高,平衡向左移动,使得CO的转化率减小;反应①正方向为体积减小的方向,增大压强平衡正向移动,转化率增大,P3的转化率最大,则P3压强最大;故P3>P2>P1;
(3)由题意列“三段式”,
CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)
起始量(mol):2 4 0 0
变化量(mol):x 3x x x
平衡量(mol):2-x 4-3x x x
反应达到平衡时,CH4与CO的体积分数相同,则:2-x=x,x=1,故v(H2)=1mol·L-1·min-1。
温度为T1时达到平衡状态时K1=1,当温度改变为T2时正逆反应速率相等,k正c(CO)c3(H2) =k逆c(CH4)·c(H2O),又k正=1.5k逆,则K2=1.5, K2>K1,该反应为放热反应,则T2<T1,故A错误;与I中H2的体积分数为25%相比,Ⅱ投料减半,相当于减小压强,平衡逆向移动,H2的体积分数应大于25%,故B错误;同时Ⅱ中α(CO)应小于容器I中α(CO),故D错误;Ⅲ中开始时浓度商=,反应正向进行,又该反应为气体体积减小反应,达平衡时总物质的量小于1+1+0.6+1.2=3.8mol,I中平衡时总物质的量为4mol,恒容恒温时气体压强之比等于其物质的量之比,故容器Ⅲ与容器I中的总压强之比小于19︰20,C项正确;
(4)甲烷燃料电池负极反应为CH4-8eˉ+ 2H2O ==CO2↑+8H+,转移16mol电子时负极产生2molCO2,与3molNaOH反应得1molNaHCO3和1molNa2CO3,由于水解程度:CO32->HCO3-,故离子浓度大小为c(Na+)>c(HCO3-)> c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)。
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