Question

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．写出甲烷与水蒸气的热化学方程式              

（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：

时间/min 浓度 物质	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol•L^﹣1	0.13mol•L^﹣1	0.1mol•L^﹣1	0.1mol•L^﹣1	0.09mol•L^﹣1
H2	0mol•L^﹣1	0.2mol•L^﹣1	0.3mol•L^﹣1	0.3mol•L^﹣1	0.33mol•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[]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）CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）△H=+206.1kJ/mol；

（2）①0.135；②升高温度或增大H2O的浓度或减小CO的浓度；

（3）①＞；②＞；

（4）①CH4﹣8e﹣+10OH﹣=CO32﹣+7H2O；

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

【解析】（1）已知：①H2（g）+O2（g）=H2O（l）△H=﹣285.8kJ•mol﹣1

②CO（g）+O2（g）=CO2（g） ）△H=﹣283.0kJ•mol﹣1

③CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l））△H=﹣890.3kJ•mol﹣1，

④H2O（g）=H2O（l）△H=﹣44.0kJ•mol﹣1，

利用盖斯定律将④+③﹣②﹣3×①可得：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g）

△H=（﹣44.0kJ•mol﹣1）+（﹣890.3kJ•mol﹣1）﹣（﹣283.0kJ•mol﹣1）﹣3×（﹣285.8kJ•mol﹣1）=+206.1 kJ•mol﹣1

（2）①反应方程式为：CH4（g）+H2O（g）=CO（g）+3H2（g），

初起量（mol•L﹣1）：0.2 0.3 0 0

变化量（mol•L﹣1）：0.1 0.1 0.1 0.3

平衡量（mol•L﹣1）：0.1 0.2 0.1 0.3

所以K===0.135，故答案为：0.135；

②3min时改变的反应条件，反应向正反应方向进行，可能为升高温度或增大H2O的浓度或减小CO的浓度

（3）①碳水比n（CH4）/n（H2O）值越大，平衡时甲烷的转化率越低，含量越高，故x1＞x2，故答案为：＞；②该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，平衡时甲烷的含量增大，故p1＞p2，故答案为：＞；

（4）①甲烷燃料电池工作时，负极发生氧化反应，甲烷失电子被氧化反应，负极电极反应式为CH4﹣8e﹣+10OH﹣=CO32﹣+7H2O，故答案为：CH4﹣8e﹣+10OH﹣=CO32﹣+7H2O；

②KHCO3溶液中碳酸氢根离子的水解程度大于其电离程度，所以溶液显示碱性，则该溶液中各离子浓度由大到小的关系为，故c（K+）＞c（HCO3﹣）＞c（OH﹣）＞c（H+）＞c（CO32﹣）

【点评】本题综合性较大，涉及化学平衡图象、化学平衡的影响因素、化学平衡计算、原电池、化学计算、离子浓度比较等，为高考常见题型，难度中等，是对基础知识与学生能力的综合考查，注意把握化学平衡的影响因素以及图象、数据的分析能力的培养．