工业上利用天然气(主要成分是CH4)与H2O进行高温重整制备合成气(CO+H2).CO和H2在一定条件下能制备甲醛.甲醚等多种有机物．已知CH4.H2和CO的燃烧热(△H)分别为-890.3kJ?mol-1.-285.8kJ?mol-1和-283.0kJ?mol-1,18.0g水蒸气液化时的能量变化为44.0kJ．(1)写出甲烷与水蒸气在高温下反应制合成气的� 题目和参考答案——青夏教育精英家教网—

题目内容

工业上利用天然气（主要成分是CH₄）与H₂O进行高温重整制备合成气（CO+H₂），CO和H₂在一定条件下能制备甲醛、甲醚等多种有机物．已知CH₄、H₂和CO的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ?mol^-1、-285.8kJ?mol^-1和-283.0kJ?mol^-1；18.0g水蒸气液化时的能量变化为44.0kJ．
（1）写出甲烷与水蒸气在高温下反应制合成气的热化学方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ?mol^-1

．
（2）在一定条件下，向体积固定为2L的密闭容器中充入0.40mol CH₄（g）和0.60mol H₂O（g），测得CH₄（g）和H₂（g）的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示．
3min时改变条件，反应进行到4min时，体系中各物质的物质的量如下表所示：

t/min	n（CH₄）/mol	n（H₂O）/mol	n（CO）/mol	n（H₂）/mol
4	0.18	0.38	0.22	0.66

则3～4min之间，平衡向

正

（填“正”或“逆”）反应方向移动，3min时改变的条件是

升高温度

．
（3）已知温度、压强和碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]对该反应的影响如图所示．

①图l中，两条曲线所示温度的关系：t₁

＜

t₂（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．

②图2中，两条曲线所示碳水比的关系：x₁

＞

x₂．
③图3中，两条曲线所示压强的关系：p₁

＞

p₂．
（4）以天然气（假设杂质不参与反应）为原料的燃料电池示意图如图所示．
①放电时，正极的电极反应式为

O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-

．
②假设装置中盛装100.0mL 3.0mol?L^-1 KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下体积为8 960mL．放电完毕后，电解质溶液中各离子浓度的大小关系为

c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）

．

分析：（1）根据燃烧热写出热化学方程式，利用盖斯定律计算；
（2）根据图象可知3min时，平衡时各组分的平衡浓度，再根据4min时各组分浓度变化量判断改变的条件；
（3）①根据反应的热效应判断温度对平衡移动的影响，结合图象分析解答；
②碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高；
③根据压强对平衡移动影响，结合图象分析解答；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（NaOH）与n（CO₂）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．

解答：解：（1）已知：①H₂（g）+

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+

O₂（g）=CO₂（g））△H=-283.0kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l））△H=-890.3kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1，
利用盖斯定律将④+③-②-3×①可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=（-44.0kJ?mol^-1）+（-890.3kJ?mol^-1）-（-283.0kJ?mol^-1）-3×（-285.8kJ?mol^-1）=+206.1 kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1；
（2）根据图象可知3min时，平衡时甲烷的浓度为0.1mol/L，氢气的浓度为0.3mol/L，则：
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）：0.2      0.3      0      0
变化（mol/L）：0.1      0.1      0.1    0.3
平衡（mol/L）：0.1      0.2      0.1    0.3
4min时甲烷的浓度为0.09mol/L，浓度减小0.1-0.09=0.01
水的浓度为0.19mol，浓度减小0.2-0.19=0.01；
CO的浓度为0.11，浓度增大0.11-0.1=0.01
氢气的浓度为0.33，浓度增大0.33-0.3=0.03
浓度变化量之比为1：1：1：3，等于化学计量数之比，应是改变温度平衡向正反应方向移动，该反应正反应是吸热反应，故3min改变条件为升高温度；
故答案为：正；升高温度；
（3）①该反应正反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，甲烷的含量降低，故温度t₁＜t₂，故答案为：＜；
②碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案为：＞；
③该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，平衡时甲烷的含量降低，故p₁＞p₂，故答案为：＞；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子，正极电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为

0.4mol×4

=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，介于1：1与2：1之间，故生成碳酸钾、碳酸氢钾，令碳酸钾、碳酸氢钾的物质的量分别为xmol、ymol，则x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），钾离子浓度最大，水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评：本题综合性较大，涉及热化学方程式书写、化学平衡图象、化学平衡的影响因素、化学平衡计算、原电池、化学计算、离子浓度比较等，难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查．

练习册系列答案

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近期大面积持续“油荒”、“电荒”，严重影响了工业生产，人民的生活，能源成了我们亟待解决的问题.目前，我国的能源结构主要是煤，还有石油、天然气、核能等，这些能源都是一次不可再生且污染环境的能源，研究和开发清洁而又用之不竭的能源是未来发展的首要任务.科学家预测“氢能”将是未来21世纪最理想的新能源.

（1）目前世界上的氢绝大部分是从石油、煤炭和天然气中制取.请写出工业上由天然气制氢气的化学反应方程式.

（2）利用硫－碘热循环法制取氢也是化学家常用的一种方法，总反应方程式为：

2H₂O 2H₂＋O₂，其循环过程分三步进行：

（a）SO₂＋I₂＋H₂O→A＋B （b）A→？＋？（c）B→？＋？＋？

①完成以上三步反应，并确定哪步反应最难进行.

②请对硫－碘热循环法制取氢的优劣和前景作一分析.

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