Question

【题目】据报道，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰（甲烷的水合物)试采获得成功。甲烷是一种重要的化工原料。

（1）甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，有以下三种：

部分氧化： CH4(g)+1/2O2(g) CO(g)+2H2(g) ΔH1= —35.9kJ·mol-1 ①

水蒸气重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ②

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= —41.2kJ·mol-1 ③

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH4 ④

则反应②自发进行的条件是________________，ΔH4 =_____________kJ·mol-1。

（2）起始向密闭容器中充入一定量的CH4(g)和O2(g)，发生反应①。CH4(g)的平衡转化率与温度（T）和压强（P）的关系如图所示。

①N、P两点的平衡常数：K(N)_______K(P)（填“＞”“＜”或“=”）,理由是_____________。

②M、N两点的H2的物质的量浓度c(M)____c(N)（填“＞”“＜”或“=”）。

（3）合成气CO和H2在一定条件下能发生如下反应：CO(g) +2H2(g) CH3OH(g)。在容积均为V L的甲、乙、丙三个密闭容器中分别充入amol CO和2a mol H2，三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变，在其他条件相同的情况下，实验测得反应均进行到t min时CO的体积分数如图所示，此时三个容器中一定处在化学平衡状态的是_________（填“T1”或“T2” 或“T3”）；该温度下的化学平衡常数为___________（用a、V表示）。

（4）光能储存一般是指将光能转换为电能或化学能进行储存，利用太阳光、CO2、H2O生成甲醇的光能储存装置如图所示，制备开始时质子交换膜两侧的溶液质量相等。则b极的电极反应式为_________。

Answer 1

【答案】高温+247.1＞反应①为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，CH4(g)的平衡转化率降低，所以T1＜T2,故P点平衡常数小于N点＜T39V2/2a2 CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1).反应自发进行的条件是△H－T△S<0，水蒸气重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ② 、CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= －41.2kJ·mol-1 ③ ，根据盖斯定律②－③得二氧化碳重整的热化学方程式；

(2). 反应①为气体体积增大的放热反应，根据平衡移动原理分析即可；

(3). 由图象分析可知随反应进行CO体积分数应是降低，达到平衡状态后升温平衡逆向进行；

(4). 由生成甲醇的光能储存装置可知，b电极上CO2得到电子生成甲醇。

(1). 反应自发进行的条件是△H－T△S<0，由水蒸气重整的热化学方程式CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1可知，该反应的△H＞0、△S＞0，要满足△H－T△S<0，则需要高温的条件，水蒸气重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ② 、CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= —41.2kJ·mol-1 ③ ，根据盖斯定律②－③得二氧化碳重整的热化学方程式为：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH4=+247.1 kJ·mol-1，故答案为：高温；+247.1；

(2). ①.反应①为放热反应，升高温度，甲烷的转化率降低，即T2＞T1，化学平衡常数只受温度的影响，因此根据化学平衡常数的定义可知：K(N)＞K(P)，故答案为：＞；反应①为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，CH4(g)的平衡转化率降低，所以T1＜T2，故P点平衡常数小于N点；

②.N点压强大于M点，对应反应①，增大压强平衡虽然向逆反应方向进行，但平衡移动的趋势微弱，组分的浓度依然增大，即氢气浓度c(M)＜c(N)，故答案为：＜；

(3).随着反应的进行，CO的体积分数应该是降低的，达到平衡状态后升温平衡逆向进行，T1到T2温度升高一氧化碳体积分数减小，说明反应未达到平衡状态，反应正向进行，但T2不知是否为最低点，无法确定是否为平衡点，升温平衡逆向进行，一氧化碳体积分数增大，说明T3一定是平衡状态，由平衡三段式法得：

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

起始(mol) a 2a 0

转化(mol) x 2x x

平衡(mol) a-x 2a-2x x，结合图象可知，×100%=20%，解得x=，根据平衡常数表达式K=，代入数值得K=9V2/2a2，故答案为T3；9V2/2a2；

(4).由装置图可知，在b电极上CO2得到电子生成甲醇，且此装置的电解质溶液为稀硫酸，所以b电极反应式为CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O，故答案为：CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O。