Question

【题目】页岩气是从页岩层中开采出来的一种非常重要的天然气资源，页岩气的主要成分是甲烷，是公认的洁净能源。

（1）页岩气不仅能用作燃料，还可用于生产合成气(CO和H2)。CH4与H2O(g)通入聚焦太阳能反应器，发生反应 CH4(g) + H2O(g)==CO(g)+3H2(g) △H1

已知：

①CH4、H2、CO 的燃烧热（△H）分别为-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；

②H2O(l) =H2O(g) △H=+dkJmol-1

则△H1= ___________（用含字母a、b、c、d的代数式表示）kJmol-1。

（2）用合成气生成甲醇的反应为：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2，在10 L恒容密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2，测得CO的平衡转化率与温度和压强的关系如右图所示，200℃时n(H2)随时间的变化如下表所示：

t/min	0	1	3	5
n(H2)/mol	8.0	5.4	4.0	4.0

①△H2_________(填“>”“<”或“ = ”)0。

②写出两条可同时提高反应速率和CO转化率的措施：________________________ 。

③下列说法正确的是____________(填标号）。

a.温度越高，该反应的平衡常数越大

b.达平衡后再充入稀有气体，CO的转化率提高

C.容器内气体压强不再变化时，反应达到最大限度

D.图中压强p12

④03 min内用CH3OH表示的反应速率v(CH3OH)=_________mol L-1·min-1。

⑤200℃时，该反应的平衡常数K =_______。向上述200℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持温度不变，则化学平衡____________(填“正向”、“逆向”或“不”)移动。

（3）甲烷、氧气和KOH溶液可组成燃料电池。标准状况下通入5.6 L甲烷，测得电路中转移1.2 mol电子，则甲烷的利用率为________________。

Answer 1

【答案】 -a+3b+c –d < 增大H2浓度，增大压强 cd （或0.067） 6.25 正向 60%

【解析】（1）已知CH4、H2、CO 的燃烧热（△H）分别为-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1，则有

①CH4(g) + 2O2(g)==CO2(g)+2H2O(l) △H＝-a kJmol-1

②H2(g) + 1/2O2(g)==H2O(l) △H＝-b kJmol-1

③CO(g) + 1/2O2(g)==CO2(g) △H＝-c kJmol-1

④H2O (l) =H2O(g) △H=+dkJmol-1

则根据盖斯定律可知①－②×3－③－④即得到反应CH4(g) + H2O(g)==CO(g)+3H2(g)的△H1=(-a+3b+c –d) kJmol-1。

（2）①随温度的升高CO转化率降低，这说明升高温度平衡向逆反应方向进行，则正反应是放热反应，因此△H2<0。②由于正反应是体积减小的放热反应，则可同时提高反应速率和CO转化率的措施为增大H2浓度，增大压强。③a.升高温度平衡向逆反应方向进行，因此温度越高，该反应的平衡常数越小，a错误；b.达平衡后再充入稀有气体，反应物浓度不变，CO的转化率不变，b错误；c.正反应体积减小，则容器内气体压强不再变化时，反应达到最大限度，即达到平衡状态，c正确；D.正反应体积减小，增大压强平衡向正反应方向进行，CO转化率增大，所以图中压强p1<p2，d正确，答案选cd；④03 min内消耗氢气是4mol，生成甲醇是2mol，浓度是0.2mol/L，则用CH3OH表示的反应速率v(CH3OH)=0.2mol/L÷3min＝1/15mol L-1·min-1。⑤根据方程式可知

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始浓度（mol/L） 0.4 0.8 0

转化浓度（mol/L） 0.2 0.4 0.2

平衡浓度（mol/L） 0.2 0.4 0.2

所以 200℃时，该反应的平衡常数K =。向上述200℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持温度不变，此时浓度熵＝＜6.25，所以化学平衡正向移动。

（3）标准状况下通入5.6 L甲烷，甲烷的物质的量是0.25mol，碳元素化合价从-4价升高到+4价，则理论上转移0.25mol×8＝2mol电子，测得电路中转移1.2 mol电子，则甲烷的利用率为1.2/2×100%＝60%。