Question

CO和H₂的混合气体俗称合成气，是一种重要的工业原料气，工业上利用天然气（主要成分为CH₄）与水进行高温重整制备合成气．
（1）已知：CH₄、H₂和CO的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol和-283.0kJ/mol，且1mol液态水汽化时的能量变化为44.0kJ．用1m³（标准状况）的甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气所需的热量为

 

（保留整数）．
（2）在一定温度下，向体积为2L的密闭容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O（g），测得CH₄（g）和H₂（g）的物质的量浓度随时间变化如下表所示：

浓度 时间/min 物质	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol?L-1	0.13mol?L-1	0.1mol?L-1	0.1mol?L-1	0.09moˉL-1
H2	0mol?L-1	0.2mol?L-1	0.3mol?L-1	0.3mol?L-1	0.33mol?L-1

①计算该反应第一次达平衡时的平衡常数K

 

．
②3min时改变的反应条件是

 

（只填一种条件的改变即可）．
（3）已知温度、压强、投料比X[

n(CH4)

n(H2O)

]对该反应的影响如图所示．

①图1中的两条曲线所示投料比的关系X₁

 

 X₂（填“=”、“＞”或“＜”下同）．
②图2中两条曲线所示的压强比的关系：P₁

 

 P₂．
（4）以天然气（设杂质不参与反应）、KOH溶液为原料可设计成燃料电池：
①放电时，负极的电极反应式为

 

．
②设装置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为8.96L，放电过程中没有气体逸出，则放电完毕后，所得溶液中各离子浓度由大到小的关系为

 

．

Answer 1

考点：用化学平衡常数进行计算,有关反应热的计算,原电池和电解池的工作原理,化学平衡的影响因素

专题：

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）①反应方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）根据三行式代入平衡常数表达式进行计算；
②根据表中数据可知3min时达到平衡，再根据4min时各组分浓度变化量判断改变的条件；
（3）①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；
②根据压强对平衡移动影响，结合图象分析解答；
（4）①甲烷燃料电池工作时，负极发生氧化反应，甲烷失电子被氧化反应；
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（KOH）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）+

1

2

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

1

2

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1m³（标准状况）的甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气所需的热量为

1000L

22.4L/mol

×206.1=KJ/mol=9201 kJ，故答案为：9201 kJ；
（2）①反应方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），
   初起量（mol?L^-1）：0.2         0.3           0           0
   变化量（mol?L^-1）：0.1         0.1          0.1        0.3
   平衡量（mol?L^-1）：0.1         0.2          0.1        0.3
所以K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

=

0.1×0．33

0.1×0.2

=0.135，故答案为：0.135；
②3min时改变的反应条件，反应向正反应方向进行，可能为升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度，故答案为：升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度；
（3）①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：＞；
 ②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，平衡时甲烷的含量增大，故p₁＞p₂，故答案为：＞；
（4）①甲烷燃料电池工作时，负极发生氧化反应，甲烷失电子被氧化反应，负极电极反应式为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
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

8

=0.2mol，n（KOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（KOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，发生发生2CO₂+3KOH=K₂CO₃+KHCO₃+H₂O，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，为高考常见题型，难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查，注意把握化学平衡的影响因素以及图象、数据的分析能力的培养．