Question

煤制备CH₄是一种有发展前景的新技术．
I．煤炭气化并制备CH₄包括以下反应．
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₁=+131kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ/mol
CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H₃=-206kJ/mol
（1）写出煤和气态水制备CH₄（产物还有CO₂）的热化学方程式

 

．
（2）煤转化为水煤气（CO和H₂）作为燃料和煤直接作为燃料相比，主要的优点有

 

．
（3）写出甲烷-空气燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）中负极的电极反应式

 

．
Ⅱ．对以上反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ/mol，起始时在密闭容器中充入1.00mol CO和1.00mol H₂O，分别进行以下实验，探究影响平衡的因素（其它条件相同且不考虑任何副反应的影响）．实验条件如下表：

实验编号	容器体积/L	温度/℃
①	2.0	1200
②	2.0	1300
③	1.0	1200

（1）实验①中c（CO₂）随时间变化的关系见下图，请在答题卡的框图中，画出实验②和③中c（CO₂）随时间变化关系的预期结果示意图．

（2）在与实验①相同的条件下，起始时充入容器的物质的量：n（CO）=n（H₂O）=n（CO₂）=n（ H₂）=1.00mol．通过计算，判断出反应进行的方向．（写出计算过程．）

Answer 1

考点：热化学方程式,原电池和电解池的工作原理,物质的量或浓度随时间的变化曲线

专题：基本概念与基本理论

分析：Ⅰ、（1）根据盖斯定律来解答本题；
  （2）气态物质燃烧时更充分，产生的污染物少；
  （3）在碱性甲烷燃料电池中，甲烷在负极放电，生成CO₃^2-，据此写出电极反应式；
Ⅱ、（1）实验②与①相比温度不变，体积增大，则压强减小，速率减慢，平衡不移动；实验③与②相比较压强不变，温度升高，速率加快，平衡正移；
（2）通过题目所给的信息，计算出此温度下的化学平衡常数的数值，并与浓度商做对比，从而得出反应进行的方向．

解答： 解：I．（1）根据盖斯定律可知，将①×2+②+③可得：2C（s）+2H₂O（g）=CH₄ （g）+CO₂ （g）△H=（+131kJ/mol）×2+（-41kJ/mol）+（-206kJ/mol）=+15 kJ/mol，
故答案为：2C（s）+2H₂O（g）=CH₄ （g）+CO₂ （g）△H=+15 kJ/mol 
（2）煤转化为水煤气（CO和H₂）作为燃料时，燃烧更充分，煤的利用率更高，产生的污染物少，
故答案为：提高煤的利用率（节约能源或节约资源）、减少污染；
（3）在碱性甲烷燃料电池中，甲烷在负极放电，考虑到是碱性环境，故生成CO₃^2-，故负极反应式为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
Ⅱ、（1）实验②与①相比温度不变，体积增大，则压强减小，速率减慢，平衡不移动，体积增大一倍，浓度时原来的一半；实验③与②相比较压强不变，温度升高，速率加快，平衡逆向移动，二氧化碳的浓度减小，但小于实验①的浓度，据此画图为：故答案为：
（2）平衡时n（CO₂）=0.20mol/L×2.0L=0.40mol
                 CO（g）+H₂O（g） CO₂ （g）+H₂（g）
起始物质的量/mol  1.00   1.00             1.00       1.00
变化物质的量/mol  0.40   0.40             0.40       0.40
平衡物质的量/mol  0.60   0.60             0.40       0.40
故平衡常数 K═=

0.4mol/L×0.4mol/L

0.6mol/L×0.6mol/L

=0.44 
起始时充入容器的物质的量，n（CO）=n（H₂O）=n（CO₂）=n（ H₂）=1.00mol时，C（CO）=C（H₂O）=C（CO₂）=C（ H₂）=0.5mol/L，
此时浓度商Qc==

0.5mol/L×0.5mol/L

0.5mol/L×0.5mol/L

=1.0
可知Qc＞K，故反应向逆反应方向（生成CO和H₂O的方向）进行，故答案为：反应向逆反应方向进行．

点评：本题综合考查了利用盖斯定律来计算反应热、燃料电池电极反应式的书写和反应方向的判断，并考查了图象问题，综合性较强，难度较大．