Question

利用天然气可制得以H₂、CO等为主要组成的工业原料合成气，反应为CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)。

(1)甲烷与水蒸气反应，被氧化的元素是____________，当生成标准状况下35.84 L合成气时转移电子的物质的量是________。

(2)将2 mol CH₄和5 mol H₂O(g)通入容积为100 L的反应室，CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图K23­5所示。

图K23­5

①若达到A点所需的时间为5 min，则v(H₂)＝________________________________________________________________________，

100 ℃时平衡常数K＝____________________。

②图中的p₁______p₂(填“<”“>”或“＝”)，A、B、C三点的平衡常数K_A、K_B、K_C的大小关系是________________________________________________________________________。

(3)合成气用于合成氨气时需除去CO，发生反应CO(g)＋H₂O(g) CO₂(g)＋H₂(g)　ΔH<0，下列措施中能使增大的是________(选填编号)。

A．降低温度

B．恒温恒容下充入He(g)

C．将H₂从体系中分离

D．再通入一定量的水蒸气

可用碳酸钾溶液吸收生成的CO₂，常温下pH＝10的碳酸钾溶液中由水电离的OH^－的物质的量浓度为________________________________________________________________________，

常温下，0.1 mol·L^－1 KHCO₃溶液中pH>8，则溶液中c(H₂CO₃)________c(CO)(填“>”“＝”或“<”)。

Answer 1

(1)C(碳)　2.4 mol

(2)①0.006 mol·L^－1·min^－1　6.75×10^－4

②<　K_C>K_B>K_A

(3)AC　1×10^－4mol·L^－1　>

[解析] (1)在甲烷与水的反应中，碳元素的化合价由－4价升高到＋2价，氢元素的化合价由＋1价降低到0价，共转移6 mol电子，则被氧化的元素为碳元素，当生成气体1.6 mol(35.84 L)时，共转移电子2.4 mol。

(2)①在A点时甲烷的转化率为0.5，则转化的甲烷的物质的量为1 mol，生成的氢气的物质的量为3 mol，故v(H₂)＝＝0.006 mol·L^－1·min^－1；根据甲烷的平衡转化率可求得达到平衡时各物质的浓度为c(CH₄)＝0.01 mol·L^－1，c(H₂O)＝0.04 mol·L^－1，c(CO)＝0.01 mol·L^－1，c(H₂)＝0.03 mol·L^－1，则K＝＝＝6.75×10^－4。

②在横轴上大约150 ℃处作垂直于横轴的直线，由此可看出在压强为p₁时，甲烷的转化率高，而该反应的正反应为气体体积增大的反应，故压强越小，甲烷的转化率越高，故p₁＜p₂；由图中任意一条曲线可看出，随着温度的升高，甲烷的转化率在增大，故正反应为吸热反应，而A、B、C三点温度越来越高，故平衡常数越来越大。

(3)该反应的正反应为放热反应，故降低温度平衡正向移动，增大；恒温恒容时充入He气，平衡不移动，不变；将H₂从体系中分离出来，平衡正向移动，增大；再通入水蒸气，根据平衡移动原理可知减小。K₂CO₃溶液中的OH^－全部来自于水的电离，故c(OH^－)_水＝1×10^－4mol·L^－1；在KHCO₃溶液中存在平衡HCOH^＋＋CO，HCO＋H₂OH₂CO₃＋OH^－，因溶液显碱性，故HCO水解程度较大，故溶液中c(H₂CO₃)＞c(CO)。