Question

煤制备CH₄是一种有发展前景的新技术。

I. 煤炭气化并制备CH₄包括以下反应:

C(s)+H₂O(g)=CO(g)+H₂ (g)     ΔH ₁ = +131 kJ/mol 

CO(g) + H₂O(g)=CO₂ (g)+ H₂(g)      ΔH ₂ = −41 kJ/mol  

CO(g) + 3H₂ (g)=CH₄ (g)+ H₂O(g)     ΔH ₃ = −206 kJ/mol 

(1)写出煤和气态水制备CH₄(产物还有CO₂)的热化学方程式                                    。

(2)煤转化为水煤气(CO和H₂)作为燃料和煤直接作为燃料相比，主要的优点有                     。

(3)写出甲烷—空气燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)中负极的电极反应式                       。

II. 对以上反应CO(g)  + H₂O(g) CO₂ (g)+ H₂(g)  ΔH ₂ = −41 kJ/mol，起始时在密闭容器中充入1.00 molCO和1.00 molH₂O，分别进行以下实验，探究影响平衡的因素（其它条件相同且不考虑任何副反应的影响）。实验条件如下表：

实验编号	容器体积/L	温度/°C
①	2.0	1200
②	2.0	1300
③	1.0	1200

(1)实验①中c(CO₂)随时间变化的关系见下图，请在答题卡的框图中，画出实验②和③中c(CO₂)随时间变化关系的预期结果示意图。

(2)在与实验①相同的条件下，起始时充入容器的物质的量：n(CO)=n(H₂O)=n(CO₂) =n( H₂)=1.00mol。通过计算，判断出反应进行的方向。（写出计算过程。）

Answer

I.（1）2C(s)+ 2H2O(g)= CH4 (g)+ CO2 (g) ΔH  = +15 kJ/mol  （3分 ）

(2)提高煤的利用率（节约能源或节约资源）（1分）、减少污染。（1分）

(3)CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O（2分）

II. (1) 如图所示

(2)Q＞ K 反应向逆反应方向（生成CO和H2O的方向）进行 （1分）

【解析】

试题分析： I. (1) 根据盖斯定律和已知方程式，煤和气态水制备甲烷的热化学方程式可由方程式①×2+②+③而得，所以ΔH=2ΔH 1+ ΔH 2+ΔH 3 = +15 kJ/mol ，所以热化学方程式为：2C(s)+ 2H2O(g)= CH4 (g)+ CO2 (g) ΔH  = +15 kJ/mol 。

(2) 煤气化后生成水煤气再燃烧比直接燃烧煤更加充分，提高能源利用率，同时燃煤容易产生酸雨，所以燃烧水煤气还可以减少污染。

(3)用甲烷作燃料制成的碱性燃料电池中，甲烷失电子生成的CO2气体会与溶液中的碱性介质进一步反应生成CO32-，所以其负极的反应式为：CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O。

II. (1) CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 的反应是一个放热反应，所以温度升高，反应的反应速率加快，但使平衡逆向移动，实验②曲线比实验①曲线更快达到平衡，但是平衡时CO2的浓度要低一些；相比之下，实验③比试验①缩小了体积，即增大了压强，由于反应前后气体系数不变，所以增大压强只能增大化学反应速率，但是不能改变平衡，因此实验③的曲线比实验①更快达到平衡，且平衡时CO2的浓度是实验①的2倍。如图

(2)整体思路：先根据实验①充入的物质的物质的量和平衡时候CO2的浓度计算出在相同温度下的平衡常数K，然后比较此时的浓度商Q与实验①的K值的大小，从而得出反应进行的方向。

计算过程为：

(2) 平衡时n(CO2)=0.20mol/Lx2.0L=0.40mol

CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 

起始物质的量/mol 1.00 1.00 1.00 1.00

变化物质的量/mol 0.40 0.40 0.40 0.40

平衡物质的量/mol 0.60 0.60 0.40 0.40 （1分）

K==0.44 （2分）

Q= == 1.0 （1分）

Q＞ K 反应向逆反应方向（生成CO和H2O的方向）进行 （1分）

考点：本题考查的是化学反应原理知识，主要包括盖斯定律应用、热化学方程式的书写、影响化学平衡的因素、图像问题、反应方向的判断计算。