Question

20．氢气是一种清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点．
已知：①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂△H=+206.2kJ•mol^-1；
②CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂△H=+247.4kJ•mol^-1；
③2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1；
（1）以甲烷为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法．CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO₂（g）和H₂（g）的热化学方程式为CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1．
（2）在密闭容器中充入一定量的H₂S，发生反应③．如图所示为H₂S气体分解生成H₂和S₂（g）的平衡转化率与温度、压强的关系．
①图中压强（p₁、p₂、p₃）的大小顺序为P₁＜P₂＜P₃，理由是该可逆反应的正反应是气体分子数增大的反应，相同温度下，增大压强平衡逆向进行，H₂S的转化率减小．
②该反应平衡常数的大小关系为K（T₁）＜（填“＞”、“＜”或“=”）K（T₂），理由是该可逆反应的正反应是吸热反应，升高温度，平衡常数增大．
③图中M点的平衡常数K_p=1MPa^-1（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）
④如果想进一步提高H₂S的转化率，除改变温度、压强外，还可以采取的措施有及时分离出产物．
（3）氢气燃料电池能大幅度提高能量的转化率．甲烷-空气碱性（KOH为电解质）燃料电池的负极反应式为CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0．相同条件下，甲烷燃料电池与氢气燃料电池的能量密度之比为1：2 （单位质量的输出电能叫能量密度，能量密度之比等于单位质量的可燃物转移电子数之比）．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）解答，从待求反应出发分析反应物、生成物在所给反应中的位置，通过相互加减可得；
（2）2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1，
①依据化学平衡移动原理可知压强增大平衡向气体体积减小的方向进行；
②图分析可知升温H₂S的转化率增大，说明升温平衡正向进行，平衡常数增大；
③结合化学平衡三行计算列式计算平衡物质的物质的量，用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数；
④如果想进一步提高H₂S的转化率，除改变温度、压强外，可以减少生成物浓度促进平衡正向进行，提高硫化氢的转化率；
（3）甲烷-空气碱性（KOH为电解质）燃料电池是甲烷失电子在碱溶液中发生氧化反应生成碳酸盐，单位质量的输出电能叫能量密度，能量密度之比等于单位质量的可燃物转移电子数之比计算；

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kmol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJmol^-1
据盖斯定律，①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=165.0kmol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1；
（2）①2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H=+169.8kJ•mol^-1，反应是气体体积增大的反应，温度不变，压强增大平衡逆向进行，H₂S的转化率减小，则压强关系为：P₁＜P₂＜P₃，
故答案为：P₁＜P₂＜P₃，该可逆反应的正反应是气体分子数增大的反应，相同温度下，增大压强平衡逆向进行，H₂S的转化率减小；
②反应是吸热反应，平衡移动原理可知，升温平衡正向进行，图分析可知升温H₂S的转化率增大，说明升温平衡正向进行，平衡常数增大，K（T₁）＜K（T₂），
故答案为：＜，该可逆反应的正反应是吸热反应，升高温度，平衡常数增大；
③M点的H₂S转化率为50%，总压为5MPa，设H₂S起始量为2mol，
                2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）
起始量（mol）    2          0      0
变化量（mol）    1          1      0.5
平衡量（mol）    1          1       0.5
Kp=$\frac{K{p}^{2}（{H}_{2}）Kp（{S}_{2}）}{K{p}^{2}（{H}_{2}S）}$=$\frac{（5×\frac{1}{2.5}）^{2}×5×\frac{0.5}{2.5}}{（5×\frac{1}{2.5}）^{2}}$=1，
故答案为：1；
④如果想进一步提高H₂S的转化率，除改变温度、压强外，可以减少生成物浓度促进平衡正向进行，提高硫化氢的转化率，采取的措施有及时分离出产物，
故答案为：及时分离出产物；
（3）甲烷-空气碱性（KOH为电解质）燃料电池的负极反应式为CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0，设甲烷和氢气质量为16g，则预计电极反应计算电子转移总数计算得到能量密度之比，CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0，16g甲烷燃烧电子转移8mol，16g氢气物质的量8mol，电子转移16mol，H₂-2e^-=2H⁺，所以相同条件下，甲烷燃料电池与氢气燃料电池的能量密度之比为8：16=1：2，
故答案为：CH₄-8e^一+10OH^-=CO₃^2-+7H₂0； 1：2．

点评 本题考查热化学方程式书写、化学平衡图象、影响化学平衡的因素、化学平衡常数、原电池原理和电极书写等，难度中等，注意利用“定一议二”原则分析和电子转移总数计算．