Question

5．CO和H₂的混合气体俗称合成气，是一种重要的工业原料气，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（△H）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．写出甲烷与水蒸气的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
（2）在一定温度下，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 浓度 物质	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol•L-1	0.13mol•L-1	0.1mol•L-1	0.1mol•L-1	0.09mol•L-1
H2	0mol•L-1	0.2mol•L-1	0.3mol•L-1	0.3mol•L-1	0.33mol•L-1

①计算该反应第一次达平衡时的平衡常数K0.135
②3min时改变的反应条件是升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度 （只填一种条件的改变即可）．
（3）已知温度、压强、投料比X[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O}$]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，负极的电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O
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c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）根据燃烧热写出热化学方程式，利用盖斯定律计算；
（2）①反应方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）根据三行式代入平衡常数表达式进行计算；
②根据表中数据可知3min时达到平衡，再根据4min时各组分浓度变化量判断改变的条件；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高；
②根据压强对平衡移动影响，结合图象分析解答；
（4）①甲烷燃料电池工作时，负极发生氧化反应，甲烷失电子被氧化反应；
②计算氧气的物质的量，进而计算生成二氧化碳的物质的量，根据n（KOH）与n（CO₂）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断离子浓度大小．

解答 解：（1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（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，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol；
（2）①反应方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），
      初起量（mol•L^-1）：0.2     0.3       0      0
       变化量（mol•L^-1）：0.1     0.1     0.1    0.3
       平衡量（mol•L^-1）：0.1      0.2     0.1    0.3
所以K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.1×0．{3}^{3}}{0.1×0.2}$=0.135，故答案为：0.135；
②3min时改变的反应条件，反应向正反应方向进行，可能为升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度，
故答案为：升高温度或增大H₂O的浓度或减小CO的浓度；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案为：＞；
②该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，平衡时甲烷的含量增大，故p₁＞p₂，故答案为：＞；
（4）①甲烷燃料电池工作时，负极发生氧化反应，甲烷失电子被氧化反应，负极电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②KHCO₃溶液中碳酸氢根离子的水解程度大于其电离程度，所以溶液显示碱性，则该溶液中各离子浓度由大到小的关系为，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

点评 本题综合性较大，涉及化学平衡图象、化学平衡的影响因素、化学平衡计算、原电池、化学计算、离子浓度比较等，为高考常见题型，难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查，注意把握化学平衡的影响因素以及图象、数据的分析能力的培养．