Question

（15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：

物质浓度 时间/min	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol·L^－1	0.13 mol·L^－1	0.1 mol·L^－1	0.1 mol·L^－1	0.09 mol·L^－1
H2	0 mol·L^－1	0.2 mol·L^－1	0.3 mol·L^－1	0.3 mol·L^－1	0.33 mol·L^－1

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）9201 kJ（2分）

（2）①0．135 （2分） ②升高温度或增大H2O（g）的浓度或减小CO的浓度 （2分）

（3）①＞（2分） ②＞（2分）

（4）CH4－8e－＋10OH－ ＝CO32-＋7H2O（2分）

c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH－）＞c（H＋） （3分）

【解析】

试题分析：（1）①H2（g）+O2（g）= H2O（l）△H= -285.8kJ•mol-1②CO（g）+O2（g）=CO2（g） ）△H= -283.0kJ•mol-1③CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l））△H= -890.3kJ•mol-1，④H2O（g）= H2O（l）△H=-44.0kJ•mol-1，利用盖斯定律，可知④+③-②-3①CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），△H=+206.1KJ/mol；

（2）①2分钟时，反应达到平衡状态，根据反应CH4+H2O=CO+3H2，推算出平衡时，c(CH4)=0.1mol/L，c(H2O)=0.2mol/L，c(CO)=0.1mol/L，c(H2)=0.3mol/L，故K===0.135；②3-4分钟时，平衡改变，CH4的浓度变小，H2的浓度变大，说明平衡向正反应方向移动，正反应方向为吸热反应，故可加热，或者增大反应物的浓度，降低生成物的浓度，故也可增大H2O的浓度或减小CO的浓度；

（3）①X1时，CH4的含量高，说明增加了CH4的含量，那么投料比X1>X2，②从坐标上看，P1时的甲烷含量大于P2的含量，增大压强反应向逆反应方向移动，故P1>P2；

（4）燃料电池中，甲烷做负极，失电子，电极方程式为：CH4 -8e- + 10OH-=CO32- + 7H2O，正极反应方程式为：O2＋4e—＋2H2O＝4OH—；②标况下O2的体积为8.96L，其物质的量为0.4mol，根据电极方程式可知，O2转移了1.6mol电子，由于电子守恒，那么CH4—8e——CO2 —6OH-可知消耗甲烷0.2mol，生成CO20.2mol，溶液中KOH的物质的量为0.3mol，n(CO2):n(KOH)=2:3即2CO2+3KOH=K2CO3+KHCO3+H2O，根据方程式可知，K2CO3和KHCO3的物质的量之比为1:1，溶液中K+浓度最大，由于CO32-水解多步，水解程度大于HCO3-，故c（HCO3-）＞c（CO32-），又因为K2CO3和KHCO3水解后溶液呈碱性，故c（OH－）＞c（H＋），所以溶液中的离子浓度大小为c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH－）＞c（H＋）。

考点：考查化学与能量、平衡常数计算、燃料电池、盐类的水解等相关知识点