Question

（14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，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。用1 m3（标准状况）的甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气所需的热量为 （保留整数）。

（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：

①计算该反应第一次达平衡时的平衡常数K 。

②3min时改变的反应条件是 （只填一种条件的改变即可）。

（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，负极的电极反应式为 。

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

（每空2分，共14分）

（1）9201 kJ（9200 kJ也可）

（2）①0.135 ②升高温度或增大H2O(g)的浓度（或投料）（凡合理答案均计分）

（3）①＞ ②＞

（4）①CH4－8e－＋10OH－ ＝CO32-＋7H2O

②c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH－)＞c(H＋) （有错计0分）

【解析】

试题分析：（1）甲烷和水蒸气高温反应生成CO和氢气的化学方程式是CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g），根据CH4、H2和CO的燃烧热和水气化时吸收的热量及盖斯定律，则1mol甲烷与水蒸气反应的热效应为△H=[-890.3-(-283)-(285.8×3)-44]kJ=206.1kJ/mol，则1立方米的甲烷完全与水蒸气反应放出的热量是1000L/22.4L/mol×206.1kJ/mol=9201kJ；

（2）①该反应第一次达平衡是在第2min时，甲烷的平衡浓度是0.1mol/L，氢气的平衡浓度是0.3mol/L，根据化学方程式CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）可计算CO的平衡浓度是0.1mol/L，水蒸气的平衡浓度是0.60mol/2L-0.1mol/L=0.2mol/L，则该反应的平衡常数K=(0.1×0.33)/(0.1×0.2)=0.135；

②4min与3min时的物质的浓度相比，氢气的浓度增大0.03mol/L，而甲烷的浓度减小0.01mol/L，说明平衡正向移动，而该反应是吸热反应，所以可能是升高温度而使平衡正向移动；或者是增大水蒸气的量，使平衡正向移动；

（3）①增大水蒸气的物质的量，平衡正向移动，会增大甲烷的转化率，则甲烷的体积分数会减小，相同温度时曲线X2比曲线X1低，所以X2中水蒸气的比例大，则甲烷的比例小，所以X1> X2；

②投料比相同时，压强增大，平衡逆向移动，甲烷的百分含量增大，P1曲线在P2曲线的上方，所以P1>P2；

（4）①以甲烷为燃料的碱性燃料电池中，甲烷在负极发生氧化反应，失去电子生成的二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，所以负极的电极反应式为CH4－8e－＋10OH－ ＝CO32-＋7H2O；

②放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为8.96L，物质的量是8.96L/22.4L/mol=0.4mol，正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，则转移电子的物质的量是1.6mol，需要0.2mol甲烷气体，若生成碳酸根离子，则需要KOH的物质的量至少2mol，现在溶液中KOH的物质的量是0.1L×3mol/L=0.3mol<2mol，根据元素守恒，0.2mol甲烷产生0.2mol二氧化碳与0.3molKOH反应，生成0.1molKHCO3和0.1molK2CO3，溶液呈碱性，碳酸根离子的水解程度大于碳酸氢根离子，所以溶液中钾离子的浓度最大，其次是碳酸氢根离子，然后是碳酸根离子、氢氧根离子，最小的为氢离子，即c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH－)＞c(H＋)。

考点：考查盖斯定律的应用，平衡移动的判断，化学平衡常数的计算，电化学反应原理的应用，离子浓度的比较

考点分析： 考点1：化学反应与能量 考点2：化学平衡状态及移动 试题属性

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