Question

（17分）CO和H₂的混合气体俗称合成气，是一种重要的工业原料气，可以在一定条件下制备甲醇，二甲醚等多种有机物。工业上利用天然气（主要成分为CH₄）与水进行高温重整制备合成气。
（1） 已知：CH₄、H₂和CO的燃烧热分别为890.3kJ/mol、285.8kJ/mol和283.0kJ/mol，且1mol液态水汽化时的能量变化为44.0kJ。写出甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气的热化学方程式                  。
（2）在一定条件下，向体积为2L的密闭容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O(g)，测得CH₄(g)和H₂(g)的物质的量浓度随时间变化如下表所示：

时间/min 物质 浓度	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol·L—1	0.13 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.09 mol·L—1
H2	0 mol·L—1	0.2 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.33 mol·L—1

①3—4min之间，化学平衡向___   ____反应方向移动（填“正”或“逆”）。
②3min时改变的反应条件是____________________（只填一种条件的改变）
（3）已知温度、压强、投料比X〔n(CH₄)/n(H₂O)〕对该反应的影响如图所示。

①图1中的两条曲线所示投料比的关系X₁____X₂(填“=”“>”或“<”下同)
②图2中两条曲线所示的压强比的关系：p₁_______p₂
（4）以天然气（设杂质不参与反应）、KOH溶液为原料可设计成燃料电池
①放电时，正极的电极反应式_______________________________________
②设装置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为8.96L，放电过程中没有气体逸出，则放电完毕后，所得溶液中各离子浓度由大到小的关系为                     ____。

Answer 1

（17分）
（1）CH₄(g)＋H₂O(g)＝CO(g)＋3H₂(g)  △H＝+206.1kJ/mol（3分，状态或配平或单位或+每少（或错）一项扣1分，最多扣3分；△H数值错了0分。）
（2）①正 （2分），②升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度 （2分）
（3）①＞；（2分） ②＞。（2分）
（4）O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—（2分，没配平扣1分。）
c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ ) （4分）

试题分析：（1）已知：①H₂（g）+1/2O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g） ）△H=-283.0kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l））△H=-890.3kJ?mol^-1，
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1，
利用盖斯定律将④+③-②-3×①可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），△H=（-44.0kJ?mol^-1）+（-890.3kJ?mol^-1）-（-283.0kJ?mol^-1）-3×（-285.8kJ?mol^-1）="+206.1" kJ?mol^-1；
（2）①3—4min之间，甲烷的物质的量浓度减少，氢气的物质的量浓度增加，所以化学平衡向正反应方向移动；
②3min时，甲烷、氢气的浓度未变，说明与容器体积无关，而平衡正向移动，所以改变的条件是升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度 ；
（3）①根据增大一种反应物的浓度会增大另一种反应物的转化率，本身转化率降低，X₁时甲烷的含量高，说明增大了甲烷的浓度，所以X₁>X₂；
②p₁时的甲烷的含量高于p₂，压强大对逆反应有利，所以p₁>p₂
（4）①放电时，正极是氧气发生还原反应，结合电解质溶液，正极反应式为O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—
②标准状况下氧气的体积为8.96L，物质的量是0.4mol，则转移电子1.6mol，根据CH₄～8e^-～CO₂，可知生成二氧化碳0.2mol，溶液中KOH的物质的量是0.3mol，n(CO₂):n(KOH)=2:3,介于1/2-1之间，所以产物既有碳酸钾，又有碳酸氢钾，根据C元素与Na元素守恒，计算K₂CO₃、KHCO₃的物质的量均是0.1mol，溶液中CO₃^2-的水解程度大于HCO₃^-的水解程度，溶液呈碱性，所以溶液中离子浓度的大小关系是 c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ )。