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+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)　ΔH。

已知：①CH4、H2、CO的燃烧热分别为a 、b 、c (a、b、c均大于0)；

②水的汽化热为+d (d >0)。则ΔH=__________ (用含a、b、c、d的代数式表示)。

(2)用合成气制甲醇的反应为2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)　ΔH，在10 L的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图所示。

①ΔH________(填“>”“<”或“=”)0。

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

③下列说法正确的是___________(填序号)。

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．体系内气体压强不再变化时，反应达到平衡状态

D．图中压强p1<p2

④200 ℃时，n(H2)随时间的变化如表所示，3 min时反应刚好达到平衡状态，请利用表中的数据计算0~3 min内v(CH3OH)=_______。

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

⑤200℃时该反应的平衡常数K=____________。向上述200 ℃的平衡体系中再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持温度不变，则平衡_______(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。

(3)甲、氧气和KOH溶液可组成燃料电池。标准状况下通入5.6 L甲烷时，测得电路中转移1.96 mol电子，则甲烷的利用率为________。

Answer 1

【答案】(a+3b+cd) < 增大H2浓度 增大压强 CD 1/15或0.067 6.25 正向移动 98%

【解析】

（1）利用盖斯定律的计算反应热时，将各分式与所求总式对比，明确热化学方程式是否需要反向，是否需要乘以某个数。

（2）本小问涉及了化学反应速率的计算和影响因素、化学平衡的判定、化学平衡的图像、化学平衡常数的计算、浓度商与化学平衡常数的大小比较判断反应进行的方向等。综合度较高。

（3）本小问涉及原电池原理的简单计算。

（1）据题意，先写出相关的热化学方程式：

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-a ①

H2(g)+O2 (g)═H2O (l)　 ΔH=-b ②

CO(g)+ O2 (g)═CO2 (g)　 ΔH=-c ③

H2O(l)=H2O(g) ΔH=d ④

根据盖斯定律可知，反应总式CH4(g)+ H2O(g)═CO(g)+3H2(g)　可由前4个分式相加减得到，即①-②×3-③-④，可得CH4(g)+ H2O(g)═CO(g)+3H2(g) 的ΔH =（a+3b+cd）kJ/mol；

（2）①以图中的p1线为例（保持压强不变），则随着温度的升高，CO的转化率降低，说明升温平衡左移，该反应正向放热，即ΔH<0；

②先从提高反应速率的常见措施有升高温度、增大压强、提高浓度、使用催化剂4个方面考虑。由于催化剂不能使平衡移动，不改变CO的平衡转化率，所以催化剂不考虑。因为升温平衡会左移，所以升高温度不合适。由于该反应是正向气体分子总数减小的反应，所以加压平衡会右移，增大压强这一措施可行。增大H2的浓度可以提高CO的转化率。

③A项错误，该反应正向是吸热反应，升高温度，平衡常数将减小；

B项错误，由于题给的是恒容容器，充入稀有气体，没有改变平衡体系中各物质的浓度，所以平衡不移动，CO的转化率不变；

C项正确，该反应是一个正向气体分子数减小的反应，在恒容时充入反应物进行反应，压强是一个变量，当压强不变时，说明该反应已达平衡；

D项正确，画一条垂直横轴的线，保持温度不变，发现p2在p1的上方，即p2对应的CO的转化率高，据该反应正向气体分子数减小的特点，说明相对于p1，p2是加压使平衡右移，即p2>p1;

所以答案选CD。

④ 投入H28.0mol，平衡时H2为4.0mol，所以H2反应了4.0mol，其浓度改变量为0.4mol/L,用H2表示的化学反应速率为v(H2)=molL-1min-1；据化学反应速率之比等于化学计量数之比可知，用CH3OH表示的化学反应速率为v(CH3OH)=v(H2)= molL-1min-1=molL-1min-1≈0.067 molL-1min-1；

⑤ 2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)

初始 8.0 4.0 0

变化 4.0 2.0 2.0

平衡 4.0 2.0 2.0

所以平衡时各物质的浓度分别为：0.4mol/L、0.2mol/L、0.2mol/L，所以200℃时该反应的化学平衡常数为=6.25；向上述200 ℃的平衡体系再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持温度不变，此时≈2.78<6.25，所以平衡正向移动；

（3）负极的电极反应式为：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，所以每反应1molCH4，转移8mole-，现转移1.96mol电子，则参加反应的CH4 的物质的量为0.245mol，通入甲烷的物质的量为0.25mol，所以甲烷的利用率为=98%。