Question

工業上利用天然氣（主要成分是CH₄）與H₂O進行高溫重整制備合成氣（CO+H₂），CO和H₂在一定條件下能制備甲醛、甲醚等多種有機物．已知CH₄、H₂和CO的燃燒熱（△H）分別為-890.3kJ?mol^-1、-285.8kJ?mol^-1和-283.0kJ?mol^-1；18.0g水蒸氣液化時的能量變化為44.0kJ．
（1）寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應制合成氣的熱化學方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ?mol^-1

．
（2）在一定條件下，向體積固定為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄（g）和0.60mol H₂O（g），測得CH₄（g）和H₂（g）的物質的量濃度隨時間變化的曲線如圖所示．
3min時改變條件，反應進行到4min時，體系中各物質的物質的量如下表所示：

t/min	n（CH4）/mol	n（H2O）/mol	n（CO）/mol	n（H2）/mol
4	0.18	0.38	0.22	0.66

則3～4min之間，平衡向

正

（填“正”或“逆”）反應方向移動，3min時改變的條件是

升高溫度

．
（3）已知溫度、壓強和碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]對該反應的影響如圖所示．

①圖l中，兩條曲線所示溫度的關系：t₁

＜

t₂（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
②圖2中，兩條曲線所示碳水比的關系：x₁

＞

x₂．
③圖3中，兩條曲線所示壓強的關系：p₁

＞

p₂．
（4）以天然氣（假設雜質不參與反應）為原料的燃料電池示意圖如圖所示． 
①放電時，正極的電極反應式為

O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-

．
②假設裝置中盛裝100.0mL 3.0mol?L^-1 KOH溶液，放電時參與反應的氧氣在標準狀況下體積為8 960mL．放電完畢后，電解質溶液中各離子濃度的大小關系為

c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）

．

Answer 1

分析：（1）根據燃燒熱寫出熱化學方程式，利用蓋斯定律計算；
（2）根據圖象可知3min時，平衡時各組分的平衡濃度，再根據4min時各組分濃度變化量判斷改變的條件；
（3）①根據反應的熱效應判斷溫度對平衡移動的影響，結合圖象分析解答；
②碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高；
③根據壓強對平衡移動影響，結合圖象分析解答；
（4）①正極發生還原反應，氧氣在正極放電生成氫氧根離子；
②計算氧氣的物質的量，進而計算生成二氧化碳的物質的量，根據n（NaOH）與n（CO₂）比例關系判斷反應產物，進而計算溶液中電解質物質的量，結合鹽類水解與電離等判斷．

解答：解：（1）已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+

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，
利用蓋斯定律將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，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1；
（2）根據圖象可知3min時，平衡時甲烷的濃度為0.1mol/L，氫氣的濃度為0.3mol/L，則：
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：0.2      0.3      0      0
變化（mol/L）：0.1      0.1      0.1    0.3
平衡（mol/L）：0.1      0.2      0.1    0.3
4min時甲烷的濃度為0.09mol/L，濃度減小0.1-0.09=0.01
水的濃度為0.19mol，濃度減小0.2-0.19=0.01；
CO的濃度為0.11，濃度增大0.11-0.1=0.01
氫氣的濃度為0.33，濃度增大0.33-0.3=0.03
濃度變化量之比為1：1：1：3，等于化學計量數之比，應是改變溫度平衡向正反應方向移動，該反應正反應是吸熱反應，故3min改變條件為升高溫度；
故答案為：正；升高溫度；
（3）①該反應正反應為吸熱反應，升高溫度平衡向正反應方向移動，甲烷的含量降低，故溫度t₁＜t₂，故答案為：＜；
②碳水比[

n(CH4)

n(H2O)

]值越大，平衡時甲烷的轉化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案為：＞；
③該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，平衡時甲烷的含量降低，故p₁＞p₂，故答案為：＞；
（4）①正極發生還原反應，氧氣在正極放電生成氫氧根離子，正極電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②參與反應的氧氣在標準狀況下體積為8960mL，物質的量為

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，根據電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為

0.4mol×4

8

=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，介于1：1與2：1之間，故生成碳酸鉀、碳酸氫鉀，令碳酸鉀、碳酸氫鉀的物質的量分別為xmol、ymol，則x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鉀離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點評：本題綜合性較大，涉及熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、化學平衡的影響因素、化學平衡計算、原電池、化學計算、離子濃度比較等，難度中等，是對基礎知識與學生能力的綜合考查．