Question

【题目】甲烷是天然气的主要成分，是一种重要的清洁能源和化工原料。

(1)用煤制天然气时会发生多个反应，通过多种途径生成CH4。

已知：C(s)+2H2(g)CH4 △H=-73kJ/mol

2CO(g)C(s)+CO2(g) △H=-171kJ/mol

CO(g)+3H(g)CH4(g)+H2O(g) △H=-203kJ/mol。

写出CO与H2O(g)反应生成H2和CO2的热化学方程式_________________。

(2)天然气中含有H2S杂质，某科研小组用氨水吸收得到NH4HS溶液，已知T℃k(NH3·H2O)=1.74×10-5；k1(H2S)=1.07×10-7，k2(H2S)=1.74×10-13，NH4HS溶液中所含粒子浓度大小关系正确的是_______。

A.c(NH4+)>c(HS-)>c(OH-)>c(H+) B.c(HS-)>c(NH4+)>(S2-)>c(H+)

C.c(NH4+)>c(HS-)>c(H2S)>c(H+) D.c(HS-)>c(S2-)>c(H+)>c(OH-)

(3)工业上常用CH4与水蒸气在一定条件下来制取H2，其原理为：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

①一定温度时，在一个体积为2L的恒容密闭容器中，加入lnmolCH4和1.4mol水蒸气发生上述反应，5min后达平衡，生成0.2molCO，用H2表示该反应的速率为_________。此反应的平衡常数为_____(结果保留到小数点后三位)。

②下列说法中能说明此反应达到平衡状态的是_________。

A.体系的压强不再发生变化

B.生成1molCH4的同时消耗3molH2

C.各组分的物质的量浓度不再改变

D.体系的密度不再发生变化

E.反应速率V(CH4):V(H2O)v(CO):v(H2)=1:1:1:3

(4)甲醇水蒸气重整制氢反应：CH3OH(g)+H2O(g)==CO2(g)+3H2(g) △H=+49kJ/mol。某温度下，将[n(H2O):n(CH3OH)]=1：1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为p1，反应达到平衡时总压强为p2，则平衡时甲醇的转化率为______。

(5)如图所示，直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。请写出电池工作时的负极反应式：__________________。

Answer 1

【答案】 CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) △H=-41kJ/mol AC 0.06mol/(L·min) 0.011(mol2/L2) AC CH4O-6e-+H2O→6H++CO2

【解析】（1）已知：

①C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH=-73 kJ·mol-1

②2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH=-171 kJ·mol-1

③CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)ΔH=-203 kJ·mol-1

根据盖斯定律可知①+②－③即得到CO与H2O(g)反应生成H2和CO2的热化学方程式为CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)△H＝-41 kJmol-1。

（2）根据电离平衡常数知，一水合氨电离程度大于硫化氢电离程度，所以NH4HS溶液中铵根离子水解程度小于HS-水解程度，溶液呈碱性，则c(OH-)＞c(H+)，但铵根离子和HS-离子水解程度都较小，所以离子浓度大小顺序是c(NH4+)＞c(HS-)＞c(OH-)＞c(H+)；根据H2S的电离常数可判断HS-离子的水解程度大于其电离程度，所以还存在c(NH4+)＞c(HS-)＞c(H2S)＞c(H+)，答案选AC；

（3）①5min后达平衡，生成0.2molCO，则同时生成氢气是0.6mol，浓度是0.3mol/L，因此用H2表示该反应的速率为0.3mol/L÷5min＝0.06 mol·L-1·min-1。平衡时剩余甲烷是0.8mol，水蒸气是1.2mol，因此甲烷、水蒸气、CO和氢气的浓度分别是（mol/L）0.4、0.6、0.1、0.3，此反应的平衡常数为0.1×0.33/0.4×0.6≈0.011。

②A.正反应体积增大，体系的压强不再发生变化说明反应达到平衡状态，A正确；B.生成1molCH4的同时消耗3molH2均表示逆反应速率，不能说明反应达到平衡状态，B错误；C.各组分的物质的量浓度不再改变说明反应达到平衡状态，C正确；D.密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，体系的密度不再发生变化不能说明反应达到平衡状态，D错误；E.反应速率V(CH4):V(H2O):v(CO):v(H2)=1:1:1:3不能说明反应达到平衡状态，E错误；答案选AC；

（4） CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始量（mol） 11 00

转化量（mol）nnn3n

平衡量（mol） 1－n1－nn 3n

则，解得，所以平衡时甲醇的转化率为。

（5）甲醇在负极发生失去电子的氧化反应，又因为存在质子交换膜，则负极反应式为CH4O-6e-+H2O＝6H++CO2。