Question

CO和H₂的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業(yè)原料氣，可以在一定條件下制備甲醇，二甲醚等多種有機物．工業(yè)上利用天然氣（主要成分為CH₄）與水進行高溫重整制備合成氣．
（1）已知：CH₄、H₂和CO的燃燒熱分別為890.3kJ/mol、285.8kJ/mol和283.0kJ/mol，且1mol液態(tài)水汽化時的能量變化為44.0kJ．寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應制取合成氣的熱化學方程式

 

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（2）在一定條件下，向體積為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O（g），測得CH₄（g）和H₂（g）的物質的量濃度隨時間變化如下表所示：

時間/min 物質   濃度	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

①3-4min之間，化學平衡向

 

反應方向移動（填“正”或“逆”）．
②3min時改變的反應條件是

 

（只填一種條件的改變）
（3）已知溫度、壓強、投料比X〔n（CH₄）/n（H₂O）〕對該反應的影響如圖所示．
①圖1中的兩條曲線所示投料比的關系X₁

 

X₂（填“=”“＞”或“＜”下同）
②圖2中兩條曲線所示的壓強比的關系：p₁

 

p₂
（4）以天然氣（設雜質不參與反應）、KOH溶液為原料可設計成燃料電池
①放電時，正極的電極反應式

 

②設裝置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時參與反應的氧氣在標準狀況下的體積為8.96L，放電過程中沒有氣體逸出，則放電完畢后，所得溶液中各離子濃度由大到小的關系為

 

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Answer 1

考點：化學平衡的計算,熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡建立的過程,離子濃度大小的比較

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據燃燒熱寫出熱化學方程式，利用蓋斯定律計算；
（2）反應方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），根據表中數據可知3min時達到平衡，再根據4min時各組分濃度變化量判斷改變的條件；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高；
②根據壓強對平衡移動影響，結合圖象分析解答；
（4）①甲烷燃料電池工作時，正極發(fā)生還原反應，氧氣得電子被還原；
②計算氧氣的物質的量，進而計算生成二氧化碳的物質的量，根據n（NaOH）與n（CO₂）比例關系判斷反應產物，進而計算溶液中電解質物質的量，結合鹽類水解與電離等判斷．

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，
利用蓋斯定律將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，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol；
（2）①反應方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），由表中數據可知3-4min之間，CH₄濃度減小，H₂濃度增大，則反應向生產氫氣的方向移動，即向正方向進行，故答案為：正；
②3min時改變的反應條件，反應向正反應方向進行，可能為升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度，故答案為：升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案為：＞；
 ②該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，平衡時甲烷的含量增大，故p₁＞p₂，故答案為：＞；
（4）①正極發(fā)生還原反應，氧氣在正極放電生成氫氧根離子，正極電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②參與反應的氧氣在標準狀況下體積為8960mL，物質的量為

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，根據電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為

0.4mol×4

8

=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，發(fā)生發(fā)生2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鉀離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c （HCO₃^- ）＞c （CO₃^2- ）＞c （OH^- ）＞c（ H⁺）．

點評：本題綜合性較大，涉及熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、化學平衡的影響因素、化學平衡計算、原電池、化學計算、離子濃度比較等，為高考常見題型，難度中等，是對基礎知識與學生能力的綜合考查，注意把握化學平衡的影響因素以及圖象、數據的分析能力的培養(yǎng)．