Question

（14分）CO和H2的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業(yè)原料氣，工業(yè)上利用天

然氣（主要成分為CH4）與水進(jìn)行高溫重整制備合成氣。

（1）已知：CH4、H2和CO的燃燒熱(△H)分別為－890.3kJ/mol、－285.8kJ/mol和－283.0kJ/mol，且1mol液態(tài)水汽化時(shí)的能量變化為44.0kJ。用1 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的甲烷與水蒸氣在高溫下反應(yīng)制取合成氣所需的熱量為 （保留整數(shù)）。

（2）在一定溫度下，向體積為2L的密閉容器中充入0.40mol CH4和0.60mol H2O(g)，測(cè)得CH4(g)和H2(g)的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間變化如下表所示：

①計(jì)算該反應(yīng)第一次達(dá)平衡時(shí)的平衡常數(shù)K 。

②3min時(shí)改變的反應(yīng)條件是 （只填一種條件的改變即可）。

（3）已知溫度、壓強(qiáng)、投料比X[n(CH4)/n(H2O)]對(duì)該反應(yīng)的影響如圖所示。

①圖1中的兩條曲線所示投料比的關(guān)系X1 X2(填“=”、“>”或“<”下同)。

②圖2中兩條曲線所示的壓強(qiáng)比的關(guān)系：P1 P2。

（4）以天然氣（設(shè)雜質(zhì)不參與反應(yīng)）、KOH溶液為原料可設(shè)計(jì)成燃料電池：

①放電時(shí)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為 。

②設(shè)裝置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時(shí)參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為8.96L，放電過(guò)程中沒(méi)有氣體逸出，則放電完畢后，所得溶液中各離子濃度由大到小的關(guān)系為 。

Answer 1

（每空2分，共14分）

（1）9201 kJ（9200 kJ也可）

（2）①0.135 ②升高溫度或增大H2O(g)的濃度（或投料）（凡合理答案均計(jì)分）

（3）①＞ ②＞

（4）①CH4－8e－＋10OH－ ＝CO32-＋7H2O

②c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH－)＞c(H＋) （有錯(cuò)計(jì)0分）

【解析】

試題分析：（1）甲烷和水蒸氣高溫反應(yīng)生成CO和氫氣的化學(xué)方程式是CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g），根據(jù)CH4、H2和CO的燃燒熱和水氣化時(shí)吸收的熱量及蓋斯定律，則1mol甲烷與水蒸氣反應(yīng)的熱效應(yīng)為△H=[-890.3-(-283)-(285.8×3)-44]kJ=206.1kJ/mol，則1立方米的甲烷完全與水蒸氣反應(yīng)放出的熱量是1000L/22.4L/mol×206.1kJ/mol=9201kJ；

（2）①該反應(yīng)第一次達(dá)平衡是在第2min時(shí)，甲烷的平衡濃度是0.1mol/L，氫氣的平衡濃度是0.3mol/L，根據(jù)化學(xué)方程式CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）可計(jì)算CO的平衡濃度是0.1mol/L，水蒸氣的平衡濃度是0.60mol/2L-0.1mol/L=0.2mol/L，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=(0.1×0.33)/(0.1×0.2)=0.135；

②4min與3min時(shí)的物質(zhì)的濃度相比，氫氣的濃度增大0.03mol/L，而甲烷的濃度減小0.01mol/L，說(shuō)明平衡正向移動(dòng)，而該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以可能是升高溫度而使平衡正向移動(dòng)；或者是增大水蒸氣的量，使平衡正向移動(dòng)；

（3）①增大水蒸氣的物質(zhì)的量，平衡正向移動(dòng)，會(huì)增大甲烷的轉(zhuǎn)化率，則甲烷的體積分?jǐn)?shù)會(huì)減小，相同溫度時(shí)曲線X2比曲線X1低，所以X2中水蒸氣的比例大，則甲烷的比例小，所以X1> X2；

②投料比相同時(shí)，壓強(qiáng)增大，平衡逆向移動(dòng)，甲烷的百分含量增大，P1曲線在P2曲線的上方，所以P1>P2；

（4）①以甲烷為燃料的堿性燃料電池中，甲烷在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子生成的二氧化碳與氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，所以負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH4－8e－＋10OH－ ＝CO32-＋7H2O；

②放電時(shí)參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為8.96L，物質(zhì)的量是8.96L/22.4L/mol=0.4mol，正極的電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-，則轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是1.6mol，需要0.2mol甲烷氣體，若生成碳酸根離子，則需要KOH的物質(zhì)的量至少2mol，現(xiàn)在溶液中KOH的物質(zhì)的量是0.1L×3mol/L=0.3mol<2mol，根據(jù)元素守恒，0.2mol甲烷產(chǎn)生0.2mol二氧化碳與0.3molKOH反應(yīng)，生成0.1molKHCO3和0.1molK2CO3，溶液呈堿性，碳酸根離子的水解程度大于碳酸氫根離子，所以溶液中鉀離子的濃度最大，其次是碳酸氫根離子，然后是碳酸根離子、氫氧根離子，最小的為氫離子，即c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH－)＞c(H＋)。

考點(diǎn)：考查蓋斯定律的應(yīng)用，平衡移動(dòng)的判斷，化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，電化學(xué)反應(yīng)原理的應(yīng)用，離子濃度的比較

考點(diǎn)分析： 考點(diǎn)1：化學(xué)反應(yīng)與能量 考點(diǎn)2：化學(xué)平衡狀態(tài)及移動(dòng) 試題屬性

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