Question

蕴藏在海底的大量“可燃冰”，其开发利用是当前解决能源危机的重要课题。用甲烷制水煤气(CO、H₂)，再合成甲醇可以代替日益供应紧张的燃油。下面是产生水煤气的几种方法：

① CH₄(g)＋H₂O (g)＝CO (g)＋3H₂(g) △H₁＝+206.2kJ·mol^-1

② CH₄(g)＋O₂(g)＝CO(g)＋2H₂(g)  △H₂=－35.4 kJ·mol^-1

③ CH₄ (g)＋2H₂O (g)＝CO₂ (g)＋4H₂(g)  △H₃＝+165.0 kJ·mol^-1

（1）CH₄(g)与CO₂ (g)反应生成CO(g)和H₂(g)的热化学方程式为               。

（2）也可将CH₄设计成燃料电池，来解决能源问题，如下图装置所示。持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷VL。

①0＜V≤33.6L时，负极电极反应为                。

②V=44.8L时，溶液中离子浓度大小关系为               。

（3）工业合成氨时，合成塔中每产生1molNH₃，放出46.1kJ的热量。

某小组研究在上述温度下该反应过程中的能量变化。他们分别在体积均为VL的两个恒温恒容密闭容器中加入一定量的反应物，使其在相同温度下发生反应。相关数据如下：

容器 编号	起始时各物质物质的量/mol	达到平衡的时间	达平衡时体系 能量的变化/kJ
N2	H2	NH3
①	1	4	0	t1 min	放出热量：36.88kJ
②	2	8	0	t2 min	放出热量：Q

①容器①中，0-t₁时间的平均反应速率为υ(H₂)=                  。

②下列叙述正确的是          (填字母序号)。

a．平衡时，两容器中H₂的体积分数相等

b．容器②中反应达平衡状态时，Q＞73.76kJ

c．反应开始时，两容器中反应的化学反应速率相等

d．平衡时，容器中N₂的转化率：①<②

e．两容器达到平衡时所用时间t₁>t₂

（4）下图是在反应器中将N₂和H₂按物质的量之比为1:3充入后，在200℃、400℃、600℃下，反应达到平衡时，混合物中NH₃的体积分数随压强的变化曲线。

①曲线a对应的温度是             。

②上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是         。

③M点对应的H₂转化率是        。

Answer

（1）CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) △H=247.4KJ/mol；

（2）①CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；

②c(K+)> c(HCO3-)> c(CO32-)> c(OH-)> c(H+)；

（3）mol/(L·min)；bde；（4）200℃；Q=M>N；75%；

【解析】

试题分析：（1）根据盖斯定律可知，①×2-③可得CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)，

所以其△H=[(+206.2)×2-(+165.0)]kJ•mol-1=+247.4 kJ•mol-1，

所以CH4(g)与CO2(g)反应生成CO(g)和H2(g)的热化学方程式为

CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)△H=+247.4 kJ•mol-1；

（2）n(KOH)=1.5mol/L×2L=3mol，可能先后发生反应①CH4+2O2→CO2+2H2O、

②CO2+2KOH=K2CO3+H2O、③K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3；

①当0＜V≤33.6 L时，0＜n(CH4)≤1.5mol，则0＜n(CO2)≤1.5mol，发生反应①②，生成碳酸钾，则负极反应式为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，故答案为：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；

②当V=44.8L时，n(CH4)=2mol，n(CO2)=2mol，则电池总反应式为2CH4+4O2+3KOH=K2CO3+KHCO3+5H2O，则得到1molK2CO3和1molKHCO3的溶液，则c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH-)＞c(H+)，故答案为：c(K+)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH-)＞c(H+)；

（3）①容器①中达到平衡时，生成的氨气的物质的量为=0.8mol，因此反应的化学反应速率为v(H2)===mol/(L·min)；②a、容器②中压强大于容器①，增大压强，平衡向正反应方向移动，平衡时，两容器中H2的体积分数不等，故a错误；b、容器②中压强大于容器①，增大压强，平衡向正反应方向移动，放出的热量更多，大于容器①中放出热量的2倍，故b正确；c、反应起始浓度不同，反应速率不同，故c错误；d、恒温恒容容器中实验②起始量相当于实验①的2倍，相当于增大压强，增大压强，平衡向正反应方向移动，转化率增大，故d正确；e、容器②中压强大于容器①，压强越大，反应速率越快，达到平衡时所用时间越少，故两容器达到平衡时所用时间t1>t2，故e正确；故选bde；

（4）①合成氨反应放热，温度越低氨气的百分含量越高，所以，曲线a对应的温度是200℃，故答案为：200℃；②K只受温度影响，该反应温度升高时K值减小，b是400℃，c是600℃，上图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是K(M)=K(Q)＞K(N)，故答案为：Q=M>N；

③3N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)

反应前(mol) 1 3 0

反应了(mol) x 3x 2x

平衡时(mol) 1-x 3-3x 2x

据题意M点时：=60%，x=，

则氢气的转化率为：×100%=75%，故答案为：75%；

考点：考查了盖斯定律计算焓变、热化学方程式的书写、评价物质合成方案、影响化学平衡的因素、燃料电池、溶液中离子浓度大小关系等相关知识。