Question

使用石油热裂解的副产物CH₄来制取CO和H₂，其生产流程如下图：

（1）工业上常利用反应Ⅰ产生的CO和H₂合成可再生能源甲醇。

①已知CO(g)、CH₃OH(l)的燃烧热分别为283.0 kJ·mol^-1和726.5 kJ·mol^-1，则CH₃OH(l)不完全燃烧生成CO(g)和H₂O(l)的热化学方程式为                                         。

（2）此流程的第I步反应为：CH₄(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H₂(g)，一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图。则P_{1_________}P₂。（填“<”、“>”或“＝”）100℃时，将1 mol CH₄和2 mol H₂O通入容积为10L的恒容密闭容器中，达到平衡时CH₄的转化率为0.5。此时该反应的平衡常数K＝____________。

（3）此流程的第II步反应CO(g) + H₂O(g) CO₂(g) + H₂(g)，

的平衡常数随温度的变化如下表：

温度/℃	400	500[	830
平衡常数K	10	9	1

从上表可以推断：该反应是         反应（填“吸热”或“放热”），若在500℃时进行，设起始时CO和H₂O的起始浓度均为0.020mol/L，在该条件下，反应达到平衡时，CO的转化率为           。

右图表示该反应在t₁时刻达到平衡、在t₂时刻因改变某个条件引起浓度变化的情况：图中t₂时刻发生改变的条件是____（写出一种）。

（4）某化学兴趣小组构想将NO转化为HNO₃（NO₃^-），装置如图，电极为多孔惰性材料。则负极的电极反应式是                             。

Answer

（1）①CH3OH (l) + O2(g)＝CO(g) + 2H2O(l) △H=－443.5 kJ·mol-1（3分）

（2）<（2分）； 0.0225（或2.25×10－2）（2分）；

（3）放热（2分） ； 75% （2分） ； 降低温度，或增加水蒸汽的量，或减少氢气的量。（2分）

（4）2H2O+NO-3e-＝NO3-+4H+（2分）

【解析】

试题分析：（1）已知CO(g)、CH3OH(l)的燃烧热分别为283.0 kJ·mol-1和726.5 kJ·mol-1，有：CO(g)+1/2 O2(g)＝CO2(g) △H=－283.0kJ/mol，CH3OH(l) +3/2 O2(g)＝CO2(g) + 2H2O(l) △H=－726.5kJ/mol，所以根据盖斯定律可知后者减去前者即可的甲醇不完全燃烧生成CO(g)和H2O(l)的热化学方程式为CH3OH (l) + O2(g)＝CO(g) + 2H2O(l) △H=－443.5 kJ·mol-1。

（2）由图可知温度相同时，到达平衡时，压强为P1的CH4转化率高，平衡向正反应方向移动，反应为气体体积增大的反应，增大压强平衡向体积减小的方向移动，即P1＜P2；100℃时，将1mol CH4和2mol H2O通入容积为10L的恒容密闭容器中，达到平衡时CH4的转化率为0.5，

CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

起始浓度（mol/L） 0.1 0.2 0 0

变化浓度（mol/L） 0.05 0.05 0.05 0.15

平衡浓度（mol/L） 0.05 0.15 0.05 0.15

平衡常数K＝c(CO)·c3(H2)/c(CH4)·c(H2O)＝0.05×(0.15)3/0.05×0.15＝0.0225（mol/L）2。

（3）分析图表数据可知平衡常数随温度升高减小，说明平衡逆向进行，正反应是放热反应；

CO（g）+H2O（g）H2（g）+CO2（g）

起始浓度（mol/L） 0.02 0.02 0 0

变化浓度（mol/L） x x x x

平衡浓度（mol/L） 0.02-x 0.02-x x x

则x·x/（0.02-x）·（0.02-x）/＝9

解得x＝0.015

所以CO的转化率是0.0150.02×100%＝75%

该反应是气体体积不变的放热反应，在t2时刻因改变某个条件浓度发生变化的情况是二氧化碳浓度增大，一氧化碳浓度减小，说明平衡正向进行，降低温度，或增加水蒸气的量或减少氢气的量均可以实现。

（4）原电池中负极失去电子，发生氧化反应。则NO在负极失去电子转化为硝酸，电极反应式为2H2O+NO-3e-＝NO3-+4H+。

考点：考查化学平衡的分析判断，平衡常数的计算应用，平衡移动原理的应用及原电池等