Question

(13分)天然气的主要成分是甲烷，它是一种重要的燃料和基础化工原料。

（1）以甲烷和水为原料可制取甲醇。

①CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)  △H=+206.0kJ/mol

②CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)   △H＝—129.0kJ/mol

则CH₄(g)＋H₂O(g)CH₃OH(g)＋H₂(g)的△H＝__________kJ/mol。

（2）用甲烷催化还原NO_x为N₂可消除氮氧化物的污染，写出反应的化学方程式_______。

（3）一定条件下，反应CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)可以制取合成氨的原料气H₂。将1.0mol CH₄和2.0 mol H₂O(g)通入容积为100L的反应室，CH₄的平衡转化率与温度的关系如图。已知100℃时达到平衡所需的时间是5min，则用H₂表示的反应速率v(H₂)=___________；该温度时的平衡常数K=__________，该反应的△H_______0(填“<”、“>”或“=”)。

（4）某化学小组设计如图装置进行饱和NaCl溶液电解实验。

请回答下列问题：

已知每个甲烷燃料电池中盛有1.0L2.0 mol/L的KOH溶液。标准状况下，当每个燃料电池的负极通入甲烷的体积均为33.6L，且反应完全，则理论上电池溶液中c(K₂CO₃)_______c(KHCO₃)(填“<”、“>”或“=”)：最多能产生标准状况氯气的体积为________L。

Answer

（1）＋77.0 （2）xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O

（3）0.003mol/(L·min)；2.25×10—4（mol/L）2 ＞ （4）＜ 134.4

【解析】

试题分析：（1）已知①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H=+206.0kJ/mol,②CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H＝—129.0kJ/mol，则根据盖斯定律可知①＋②即得到CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g)的△H＝＋77.0kJ/mol。

（2）甲烷催化还原NOx为N2可消除氮氧化物的污染，反应中甲烷被氧化为CO2，所以反应的化学方程式为xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O。

（3）已知100℃时达到平衡甲烷的转化率是0.5，则消耗甲烷0.5mol，同时消耗水蒸气0.5mol，生成CO和氢气分步是0.5mol和1.5mol，则氢气的浓度变化量是1.5mol÷100L＝0.0015mol/L，所以用H2表示的反应速率v(H2)＝0.0015mol/L÷5min＝0.003mol/(L·min)；平衡时甲烷、水蒸气、CO、氢气的浓度分别是0.0005mol/L、0.0015mol/L、0.0005mol/L、0.0015mol/L，则平衡常数K＝。升高温度甲烷的转化率增大，说明升高温度平衡向正反应方向碱性，因此正方应是吸热反应，该反应的△H＞0。

（4）消耗甲烷的物质的量是33.6L÷22.4L/mol＝1.5mol，完全反应生成1.5molCO2。氢氧化钾的物质的量是2mol，则与甲烷生成的CO2反应生成碳酸钾和碳酸氢钾，设二者的物质的量分别是xmol、ymol，则x+y＝1.5、2x+y＝2，解得x＝0.5、y＝1.0，所以碳酸钾的物质的量小于碳酸氢钾。甲烷中碳元素的化合价是—2价，升高到＋4价，失去4个电子，共计失去6mol电子，由于是两个氢氧燃料电池，则转移电子是12mol，共计电子得失守恒可知氯气的物质的量是12mol÷2＝6mol，在标准状况下的体积是6mol×22.4L/mol＝134.4L。

考点：考查盖斯定律、氧化还原反应、反应速率和平衡常数、外界条件对平衡状态的影响以及电化学原理应用等