Question

天然气在工农业生产中具有重要意义．
（1）工业上用CH₄和H₂O（g）为原料合成新型燃料--甲醚（CH₃OCH₃）的有关反应如下：Ⅰ．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+216kJ?mol^-1 
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.7kJ?mol^-1
Ⅲ.2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₃=-23.5kJ?mol^-1    
试计算反应2CH₄（g）+H₂O（g）?CH₃OCH₃（g）+2H₂（g）的△H=

 

；若CH₄与H₂O（g）在容积固定的反应器中发生上述反应，下列措施既可增大CH₄的转化率又可增大CH₃OCH₃产率的是

 

（填写代号）； 
 a．升高温度      b．充人Ar    c．使用催化剂 d．再充人一定量CH₄   e．将CH₃OCH₃（g）从体系中分离
（2）工业上利用CH₄和H₂O（g）为原料制备合成甲醇的原料CO和H₂（反应Ⅰ），回答下列问题：
①一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图，则：P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”“=”，下同）；  A、B、C三点处对应平衡常数（ K_A、K_B、K_C） 的大小顺序为

 

． 
②100℃时，1molCH₄和2molH₂O（g）通入体积为100L的恒容密闭容器，如果反应经10分钟达到平衡，且达到平衡时CH₄的转化率为0.5，则100℃时该反应的平衡常数为

 

，用H₂表示的化学反应速率为

 

．
③利用甲醇可以设计一种新型燃料电池：一极通入空气，一极通入CH₃OH（g），电解质是掺杂氧化钇（Y₂O₃）的氧化锆（ZrO₂）晶体，在熔融状态下能传导O^2-．则在该熔融电解质中，O^2-向

 

（填“正”或“负”）极移动，电池负极电极反应为：

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素

专题：

分析：（1）利用盖斯定律进行计算即可；既可增大CH₄的转化率又可增大CH₃OCH₃产率，则使得平衡右移即可，据此选择合适答案；
（2）①依据反应特点判断压强对甲烷转化率的影响，依据温度高低判断平衡常数大小；
②利用三段式法计算化学平衡常数，利用速率公式计算氢气的反应速率即可；
③原电池中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，通入甲醇的一极是负极，电极反应式为CH₄O+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O，据此填空即可．

解答： 解：（1）Ⅰ．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+216kJ?mol^-1
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.7kJ?mol^-1
Ⅲ.2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₃=-23.5kJ?mol^-1
Ⅰ×2+Ⅱ×2+Ⅲ得：2CH₄（g）+H₂O（g）?CH₃OCH₃（g）+2H₂（g），故△H=△H₁×2+△H₂×2+△H₃=227.1kJ?mol^-1，由于此反应为吸热反应，要使得CH₄与H₂O（g）在容积固定的反应器中进行，既可增大CH₄的转化率又可增大CH₃OCH₃产率，即应让反应往右移，
a．升高温度，平衡右移，符合题意，正确；
b．充人Ar，不改变任何一种物质的浓度，平衡不移动，故错误；
c．使用催化剂，只加快反应速率，故错误；
d．再充人一定量CH₄，平衡右移，但是甲烷转化率减小，故错误；
e．将CH₃OCH₃（g）从体系中分离，平衡右移，且生成甲醚增多，故正确，故选ae，
故答案为：227.1kJ?mol^-1；ae；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+216kJ?mol^-1
此反应为气体体积增大的反应，增大压强，平衡左移，甲烷的转化率减小，故P₁＜P₂，此反应为吸热反应，温度越高，则K值越大，故K_A＜K_B＜K_C，
故答案为：＜；K_C＞K_B＞K_A；
②CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.01     0.02     0       0
变化浓度：0.005    0.005    0.005   0.015
平衡浓度：0.005    0.015    0.005   0.015
所以平衡常数K=

0.0153×0.005

0.005×0.015

=2.25×10^-4（mol/L）²，反应经10分钟达到平衡，即v（H₂）=

0.015mol/L

10min

=0.0015mol/（L?min），
故答案为：2.25×10^-4（mol/L）²；0.0015mol/（L?min）；
③原电池中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，故O^2-向负极移动，通入甲醇的一极是负极，电极反应式为CH₄O+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O，
故答案为：负；CH₄O+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O．

点评：本题主要考查的是盖斯定律的应用，化学平衡的有关计算，原电池原理等，综合性较强，难度较大．