Question

甲烷是天然气的主要成分，是一种重要的清洁能源和化工原料。

（1）用煤制天然气时会发生多个反应，通过多种途径生成CH₄。

已知：C（s）十2H₂（g） CH₄（g）        △H=－73kJ/mol

2CO（g） C（s）+CO₂（g）        △H=－171kJ/mol

CO（g）十3H₂（g） CH₄（g）+H₂O（g）        △H=－203kJ/mol。

写出CO（g） 与H₂O（g） 反应生成H ₂（g） 和CO₂（g） 的热化学方程式____________。

（2）天然气中含有H₂S杂质，某科研小组用氨水吸收得到NH₄HS溶液，已知T℃k（NH₃·H₂O） =1.74×10^－5； k₁（H₂S） =1.07×10^－7， k₂（H₂S） =1.74×10^－13，NH₄HS溶液中所含粒子浓度大小关系正确的是____________。

A c（NH₄⁺）>c（HS^－）>c（OH^－） >c（H⁺）

B c（HS^－） > c（NH₄⁺）> （S^2－） >c（H⁺）

C c（NH₄⁺）>c（HS^－） >c（H₂S） >c（H⁺）

D c（HS^－） >c（S^2－） >c（H⁺）>c（OH^－）

（3）工业上常用CH₄与水蒸气在一定条件下来制取H₂，其原理为： CH₄（g）+H₂O（g） CO（g）+3H₂（g）

①一定温度时， 在一个体积为2L的恒容密闭容器中， 加入1molCH₄和1.4mol水蒸气发生上述反应， 5min后达平衡， 生成0.2mol CO， 用H₂表示该反应的速率为____________。此反应的平衡常数为____________（结果保留到小数点后三位）。

②下列说法中能说明此反应达到平衡状态的是____________。

A 体系的压强不再发生变化

B 生成1molCH₄的同时消耗3molH₂

C 各组分的物质的量浓度不再改变

D 体系的密度不再发生变化

E 反应速率V（CH₄）：V（H₂O）：u（CO）：u（H₂）=1：1：1：3

（4）甲醇水蒸气重整制氢反应：CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）  ΔH=+49kJ/mol。某温度下， 将[n（H₂O） ：n（CH₃OH） ] =1：1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为p₁，反应达到平衡时总压强为p₂，则平衡时甲醇的转化率为____________。

Answer

CO(g)+H2O(g)=H2(g)+CO2(g) △H=−41 kJ∙mol−1 ac 0.06 mol∙L−1∙min−1 0.011 AC

【解析】

⑴C(s)+2H2(g)⇌CH4(g) △H=−73 kJ∙mol−1①；2CO(g) ⇌C(s)+CO2(g) △H=−171 kJ∙mol−1②；CO(g) +3H2(g)⇌CH4(g)+H2O(g) △H=−203 kJ∙mol−1③；将方程式①+②−③得CO(g)+H2O(g)=H2(g)+CO2(g)，焓变进行相应的改变。

⑵根据电离平衡常数知，一水合氨电离程度大于硫化氢电离程度，所以NH4HS溶液铵根离子水解程度小于HS－水解程度，溶液呈碱性，则c(OH－)> c(H+)，但铵根离子和硫化氢离子水解程度都较小；硫氢根离子水解程度大于其电离程度。

⑶①根据三段式来计算；②A．反应达平衡之前，体系的压强在逐渐增大；B．生成1mol CH4时一定同时消耗3mol H2；C．在反应达平衡之前，各组分的物质的量浓度在变；D．此反应是个气体的质量和体积不变的反应；E．反应速率V(CH4)：V(H2O)：v(CO)：v(H2)=1：1：1：3恒成立。

⑷恒温恒容下，气体的压强之比等于其物质的量之比，计算平衡时气体的总物质的量，再利用差量法计算参加反应甲醇的物质的量，进而计算甲醇的转化率。

⑴C(s)+2H2(g)⇌CH4(g) △H=−73kJ∙mol−1①；2CO(g) ⇌C(s)+CO2(g) △H=−171 kJ∙mol−1②；CO(g) +3H2(g)⇌CH4(g)+H2O(g) △H=−203 kJ∙mol−1③；将方程式①+②−③得CO(g)+H2O(g)=H2(g)+CO2(g) △H=(−73 kJ∙mol−1)+(−171 kJ∙mol−1)−(−203 kJ∙mol−1)=−41 kJ∙mol−1；故答案为：CO(g)+H2O(g)=H2(g)+CO2(g) △H=−41 kJ∙mol−1。

(2)根据电离平衡常数知，一水合氨电离程度大于硫化氢电离程度，所以NH4HS溶液铵根离子水解程度小于HS−水解程度,溶液呈碱性，则cOH−)>c(H+)，但铵根离子和硫化氢离子水解程度都较小，所以离子浓度大小顺序是c(NH4+4)>c(HS−)>c(OH−)>c(H+)，硫氢根离子水解程度大于其电离程度，所以还存在c(NH4+4)>c(HS−)>c(OH−)>c(H+)。故选ac。

(3)①在一个体积为2L的恒容密闭容器中，加入1molCH4和1.4mol水蒸气发生上述反应，5s后达平衡，生成0.2molCO，根据三段式可有：

则用H2表示该反应的速率为；此反应的平衡常数；故答案为：0.06 mol∙L−1∙min−1；0.011。

②②A. 反应达平衡之前，体系的压强在逐渐增大，故当体系压强不变时，反应达平衡，故A正确；B. 生成1mol CH4时一定同时消耗3mol H2，是必然的关系，不能作为平衡的标志，故B错误；C. 在反应达平衡之前，各组分的物质的量浓度在变，故当各组分的浓度不变时，反应达平衡，故C正确；D. 此反应是个气体的质量和体积不变的反应，故气体的密度ρ=m÷V(容)，密度一直不变，故不能作为平衡的标志，故D错误；E. 反应速率υ(CH4):υ(H2O): υ(CO): υ(H2)=1:1:1:3恒成立，与反应达不达平衡没有关系，故不能作为平衡的标志，故E错误；故选AC。

(4)设起始n(H2O)=n(CH3OH)=1mol，恒温恒容下，气体的压强之比等于其物质的量之比，平衡时气体的总物质的量，，，解得，因此转化率为，故答案为：。