题目内容

10．氢气作为高效、洁净的二次能源，将成为未来社会的主要能源之一．甲烷重整是一种被广泛使用的制氢工艺．
Ⅰ．甲烷水蒸气重整制氢气的主要原理：
CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJ•mol-1…①
CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H2=-41kJ•mol-1…②
（1）反应①的平衡常数的表达式K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）有研究小组通过应用软件AsepnPlus实现了对甲烷水蒸气重整制氢系统的模拟，研究了控制水反应水碳比，在不同温度下反应器RI中操作压力变化对氢气产率的影响，其数据结果如图1所示：

①请根据图象，阐述在一定压力条件下温度与氢气产率的关系，并说明原因升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
②在实际工业生产中，操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间，其主要原因是反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高．
Ⅱ．甲烷二氧化碳重整
（3）近年来有科学家提出高温下利用CO2对甲烷蒸汽进行重整，既可以制氢也可以减少CO2排放缓解温室效应，其主要原理为CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g），该反应的△H=+247kJ•mol-1．经研究发现该工艺与Ⅰ相比，主要问题在于反应过程中更容易形成积碳而造成催化剂失活，请用化学方程式表示形成积碳的原因CH4$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$C+2H2．
Ⅲ．甲烷水蒸气重整的应用
（4）甲烷水蒸气重整的一个重要应用是将甲烷水蒸气重整后的合成气作为熔融碳酸盐燃料电池的原料，其工作原理如图2：
①写出该电池的负极反应方程式H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2；
②该电池中可循环利用的物质有CO2、H2O；
③若该燃料电池的能量转化效率为70%，则当1g甲烷蒸汽通入电池时，理论上外电路可以产生33712C（库仑）的电量．（电子电量为1.6×10-19C）

分析 Ⅰ．（1）化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
（2）①依据勒夏特列原理分析；
②根据可逆CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJ•mol-1…①、CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H2=-41kJ•mol-1…②进行分析，应在低压反应有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备强度要求高，故选择操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间为宜；
Ⅱ．（3）根据盖斯定律：反应①-反应②可以得到反应CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g）△H，在高温下，甲烷易分解成碳；
Ⅲ．（4）①负极上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水；
②负极反应式为CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，根据图知，二氧化碳有使电池稳定运行，电池的电解质组成应保持恒定作用，该电池中可循环利用的物质有
③根据电极反应式结合电子转移情况计算．

解答 解：Ⅰ．（1）化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值，则化学平衡常数为K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案为：K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）①升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
故答案为：升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
②反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高，故选择操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间为宜；
故答案为：反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高；
Ⅱ．（3）根据盖斯定律，反应CO2（g）+CH4（g）?2CO（g）+2H2（g）△H=41KJ•mol-1+206KJ•mol-1=+247KJ•mol-1，在高温下，甲烷易分解成碳，
故答案为：+247•mol-1；CH4$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$C+2H2；
Ⅲ．（4）①负极上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，电极A反应为：H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2，
故答案为：H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2；
②负极反应式为CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，根据图知，二氧化碳有使电池稳定运行，电池的电解质组成应保持恒定作用，该电池中可循环利用的物质有CO2、H2O，
故答案为：CO2、H2O．
③当1g甲烷蒸汽通入电池时，根据电极反应：CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，理论上通过导线的电子的数目为$\frac{1g}{16g/mol}$×8×6.02×1023×70%×1.6×10-19C=33712C，故答案为：33712．

点评 本题考查了化学平衡常数表达式书写、化学平衡的移动，化学电源新型电池，明确原电池中物质得失电子、电子流向、离子流向即可解答，难点是电极反应式书写，要根据电解质确定正负极产物，难度中等题目难度

练习册系列答案
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4．研究化学反应常用188O作为示踪原子，该原子的质量数是（　　）
A．18B．8C．10D．16
1．甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，又称“木醇”或“木精”．甲醇是一碳化学基础的原料和优质的燃料，主要应用于精细化工、塑料、能源等领域．
已知甲醇制备的有关化学反应如下
反应①：CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H1=-90.77kJ•mol-1
反应②：CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H2
反应③：CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H3=-49.58kJ•mol-1
（1）反应②的△H2=+41.19kJ•mol-1．
（2）若500℃时三个反应的平衡常数依次为K1、K2与K3，则K3=K1•K2（用K1、K2表示）．已知500℃时K1、K2的值分别为2.5、1.0，并测得该温度下反应③在某时刻，H2（g）、CO2（g）、CH3OH（g）、H2O （g）的浓度（mol/L）分别为0.8、0.1、0.3、0.15，则此时 V正＞ V逆（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）在3L容积可变的密闭容器中发生反应②，c（CO）随反应时间t变化如图中曲线Ⅰ所示．若在t0时刻分别改变一个条件，曲线Ⅰ变为曲线Ⅱ和曲线Ⅲ．当曲线Ⅰ变为曲线Ⅱ时，改变的条件是加入催化剂．当通过改变压强使曲线Ⅰ变为曲线Ⅲ时，曲线Ⅲ达到平衡时容器的体积为2L．


（4）甲醇燃料电池可能成为未来便携电子产品应用的主流．某种甲醇燃料电池工作原理如图所示，则通入a气体的电极电极反应式为CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+．

（5）一定条件下甲醇与一氧化碳反应可以合成乙酸．常温条件下，将a mol/L的CH3COOH与b mol/LBa（OH）2溶液等体积混合，反应平衡时，2c（Ba2+）=c（CH3COO-），用含a和b的代数式表示该混合溶液中醋酸的电离常数为$\frac{2b}{a-2b}$×10-7L/mol．
18．氮氧化物是大气污染物之一，可形成光化学烟雾、酸雨等．

（1）在一密闭容器中发生反应2NO2（g）?2NO（g）+O2（g），反应过程中NO2浓度随时间的变化情况如图所示．请回答：
①依曲线A，反应在前3min内氧气的平均反应速率为0.0175mol/（L．min）．
②若曲线A、B分别表示的是该反应在某不同条件下的反应情况，则此条件是温度（填“浓度”、“压强”、“温度”或“催化剂”）．
③曲线A、B分别对应的反应平衡常数的大小关系是KA＜KB（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）一定温度下，某密闭容器中N2O5可发生下列反应：
2N2O5（g）?4NO2（g）+O2（g）  I
2NO2（g）?2NO（g）+O2（g）Ⅱ
则反应I的平衡常数表达式为K=$\frac{{c}^{4}（N{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}{O}_{5}）}$，若达平衡时，c（ NO2）=0.4mol•L-1，c（O2）=1.3mol•L-1，则反应Ⅱ中NO2的转化率为$\frac{6}{7}$，N2O5（g）的起始浓度应不低于1.4mol•L-1．
（3）将a mL NO、b mL NO2、x mLO2混合于同一试管里，将试管口倒插入水中，充分反应后
试管内气体可全部消失，则用a、b表示的x为a
a.$\frac{（a+b）}{2}$ b.$\frac{（2a+b）}{3}$ c.$\frac{（3a+b）}{4}$ d.$\frac{（4a+b）}{5}$
（4）用甲烷在一定条件下可消除氮氧化物的污染，写出CH4消除NO2的反应方程式2NO2+CH4═N2+CO2+2H2O．
5．铜、硫的单质及其化合物在生产、生活中应用广泛，辉铜矿（主要成分是Cu2S）是冶炼铜和制硫酸的重要原料．
（1）已知：①2Cu2S（s）+3O2（g）=2Cu2O（s）+2SO2（g）△H=-768.2kJ•mol-1
②2Cu2O（s）+Cu2S（s）=6Cu（s）+SO2（g）△H=+116.0kJ•mol-1
则Cu2S（s）+O2（g）=2Cu（s）+SO2（g）△H=-217.4kJ/mol．
（2）已知25℃时，KSP（BaSO4）=1.1×1010，向仅含0.1mol•L-1 Ba（OH）2的废液中加入等体积0.12mol•L-1硫酸，充分搅拌后过滤，滤液中c（Ba2+）=1.1×10-8 mol/L
（3）上述冶炼过程中会产生大量的SO2，回收处理SO2，不仅能防止环境污染，而且能变害为宝，回收处理的方法之一是先将SO2转化为SO3，然后再转化为H2SO4．
①450℃时，某恒容密闭容器中存在反应：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）△H＜0，下列事实能表明该反应达到平衡的是D．
A．容器内气体密度不变 
B．O2、SO2的消耗速率之比为1：2 
C．n（SO2）：n（O2）：n（SO3）=2：1：2 
D．容器内压强不再发生变化
②450℃、0.1MPa下，将2.0molSO2和1.0molO2置于5L密闭容器中开始反应，保持温度和容器体积不变，SO2的转化率（α）随着时间（t）的变化如图1所示，则该温度下反应的平衡常数K=4050．若维持其他条件不变，使反应开始时的温度升高到500℃，请在图1中画出反应开始到平衡时SO2转化率的变化图象．
（4）已知CuCl2溶液中，铜元素的存在形式与c（Cl-）的相对大小有关，具体情况如图2所示（分布分数是指平衡体系中含铜微粒物质的量占铜元素总物质的量的百分比）
 ①若溶液中含铜微粒的总浓度为amol•L-1，则X点对应的c（CuCl+）=0.56amol/L（用含a的代数式表示）．
②向c（Cl-）=1mol•L-1的氯化铜溶液中滴入少量AgNO3溶液，则浓度最大的含铜微粒发生反应的离子方程式为CuCl++Ag+=AgCl↓+Cu2+．
15．使用SNCR脱硝技术的主反应为：4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）$\stackrel{催化剂}{?}$ 4N2（g）+6H2O（g）△H副反应及773K时平衡常数如表所示：
反应△H（kJ•mol-1）平衡常数（K）
4NH3 （g）+5O2 （g）?4NO （g）+6H2O （g）-905.51.1×1026mol•L-1
4NH3 （g）+4O2 （g）?2N2O （g）+6H2O （g）-1104.94.4×1028
4NH3 （g）+3O2 （g）?2N2 （g）+6H2O （g）-1269.07.1×1034L•mol-1
（1）主反应△H=-1632.5kJ•mol-1，773K时主反应平衡常数K=4.6×1043L•mol-1．
（2）图1表示在密闭体系中进行实验，测定不同温度下，在相同时间内各组分的浓度．

①图中a、b、c三点，主反应速率最大的是c．
②试解释N2浓度曲线先上升后下降的原因先上升：反应还未到达平衡状态，温度越高，化学反应速率越快，单位时间内N2浓 度越大；后下降：达到平衡状态后，随着温度升高，因反应正向放热，平衡逆向移动，且随温度升高有副产物的生成，N2浓度降低．
③550K时，欲提高N2O的百分含量，应采取的措施是采用合适的催化剂．
（3）为探究碳基催化剂中Fe、Mn、Ni等元素的回收，将该催化剂溶解后得到含有Fe2+、Mn2+、Ni2+的溶液，物质的量浓度均为10-3mol•L-1．欲完全沉淀Fe2+、Mn2+（离子浓度低于1.0×10-6），应控制CO32-的物质的量浓度范围为（3.0×10-5，1.0×10-4 ）．
沉淀物Ksp
FeCO33.0×10-11
MnCO32.0×10-11
NiCO31.0×10-7
（4）电化学催化净化NO是一种最新脱硝方法．原理示意图如图2，固体电解质起到传导O2-的作用．
a为外接电源的负极（填“正”、“负”）．通入NO的电极反应式为2NO+4e-=N2+2O2-．
2．甲醇是重要的化工原料，又可称为燃料．工业上利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主要反应如下：
①CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H
②CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H2=-58kJ•mol-1
③CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H3=+41kJ•mol-1
回答下列问题：
（1）已知反应①中的相关的化学键键能数据如下：
 化学键 H═H C═O C≡O H-O C-H
 F/（kJ•mol-1） 435 343 1076 465 X
则x=413；
（2）若T℃时将6molCO2和8molH2充入2L密闭容器中发生反应②，测得H2的物质的量随时间变化关系如图中状态I（图中实线）所示．图中数据A（1，6）代表在1min时H2的物质的量是6mol．
①T℃时状态I条件下，0～3min内CH3OH的平均反应速率v=0.28mol/（L•min），平衡常数K=0.5；
②其他条件不变时，仅改变某一条件后测得H2的物质的量随时间变化如图中状态Ⅱ所示，则改变的条件可能是增大压强；
③其他条件不变，仅改变温度时，测得H2的物质的量随时间变化如图中状态Ⅲ所示，则状态Ⅲ对应的温度＞（填“＞”、“＜”或“=”）T℃；
④若状态Ⅱ的平衡常数为K2，状态Ⅲ的平衡常数为K3，则K2＞（填“＞”、“＜”或“=”）K3；
⑤一定温度下同，此反应在恒容容器中进行，能判断该反应达到化学平衡依据的是ac．
a．容器中压强不变              b．甲醇和水蒸汽的体积比保持不变
c．v正（H2）=3v逆（CH3OH）      d．2个C═O断裂的同时有6个H-H断裂．
19．已知可逆反应：A（g）+B（g）?C（g）+D（g）△H＜0．请回答下列问题：
（1）在某温度下，反应物的起始浓度分别为：c（A）=1mol•L-1，c（B）=2.4mol•L-1，达到 平衡时，A 的转化率为 60%，此时 B 的转化率为25%．
（2）若反应温度降低，则 B 的转化率将增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（3）若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为 c（A）=4mol•L-1，c（B）=a mol•L-1，达 到平衡后 c（C）=2mol•L-1，则 a=6．
（4）若反应温度不变，反应物的起始浓度分别为 c（A）=c（B）=b   mol•L-1，达到平衡后c（D）=0.4b．（$\sqrt{2}$≈0.41保留两位有效数字）
20．下列叙述正确的是（　　）
A．1 L水中溶解了40 g NaOH后，所得溶液浓度为1 mol/L
B．从1 L 2 mol/L的NaCl溶液中取出0.5 L，该溶液的浓度为1 mol/L
C．将2.24 L（标准状况）HCl气体溶于水制成100 mL溶液，其物质的量浓度为1 mol/L
D．配制1 L 0.2 mol/L的CuSO4溶液，需用32g胆矾

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