题目内容
CO和H2的混合气体俗称合成气，是一种重要的工业原料气，可以在一定条件下制备甲醇，二甲醚等多种有机物．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．写出甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气的热化学方程式
（2）在一定条件下，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：
| 时间/min 物质 浓度 |
0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| CH4 | 0.2mol?L-1 | 0.13mol?L-1 | 0.1mol?L-1 | 0.1mol?L-1 | 0.09mol?L-1 |
| H2 | 0mol?L-1 | 0.2mol?L-1 | 0.3mol?L-1 | 0.3mol?L-1 | 0.33mol?L-1 |
②3min时改变的反应条件是
（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
②图2中两条曲线所示的压强比的关系：p1
（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，正极的电极反应式
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
考点：化学平衡的计算,热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡建立的过程,离子浓度大小的比较
专题：基本概念与基本理论
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）反应方程式为CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），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，正极发生还原反应，氧气得电子被还原；
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．
（2）反应方程式为CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），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，正极发生还原反应，氧气得电子被还原；
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=+206.1kJ/mol；
（2）①反应方程式为CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），由表中数据可知3-4min之间，CH4浓度减小，H2浓度增大，则反应向生产氢气的方向移动，即向正方向进行，故答案为：正；
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
=0.4mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为
=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO2）=0.3mol：0.2mol=3：2，发生发生2CO2+3NaOH=Na2CO3+NaHCO3+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（CO32-），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（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+），
故答案为：c（K+）＞c （HCO3- ）＞c （CO32- ）＞c （OH- ）＞c（ H+）．
| 1 |
| 2 |
②CO（g）+
| 1 |
| 2 |
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=+206.1kJ/mol；
（2）①反应方程式为CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），由表中数据可知3-4min之间，CH4浓度减小，H2浓度增大，则反应向生产氢气的方向移动，即向正方向进行，故答案为：正；
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×4 |
| 8 |
故答案为：c（K+）＞c （HCO3- ）＞c （CO32- ）＞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．
练习册系列答案
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下列离子方程式正确的是（ ）
| A、钠与水的反应：Na+2H2O=Na++2OH-+H2↑ |
| B、过量的NaHSO4与Ba（OH）2溶液反应：Ba2++2OH-+2H++SO42-═BaSO4↓+2H2O |
| C、硫酸镁溶液跟氢氧化钡溶液反应：SO42-+Ba2+=BaSO4↓ |
| D、碳酸钙溶于醋酸中 CaCO3+2H+=Ca2++H2O+CO2↑ |
下列各组离子可以大量共存，加入括号中试剂，整体可能形成无色澄清溶液的是（ ）
| A、Na+、NH4+、Fe2+、NO3-（稀硫酸） |
| B、Al3+、K+、HCO3-、NO3-（NaOH溶液） |
| C、NH4+、Ag+、K+、NO3-（NaOH溶液） |
| D、Na+、K+、AlO2-、SiO32-（稀硝酸） |
需加入适当的还原剂才能实现的反应是（ ）
| A、PCl3→PCl5 |
| B、MnO2→Mn2+ |
| C、SO2→SO2-3 |
| D、Fe→Fe2O3 |
甲醇被称为21世纪的新型燃料，工业上用CH4和H2O为原料通过下列反应①和②，来制备甲醇．