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)+2H₂(g)CH₄(g)  ΔH=-73kJ·mol^-1

2CO(g)C(s)+CO₂(g)  ΔH=-171 kJ·mol^-1

CO(g)+3H₂(g)CH₄(g)+H₂O (g)  ΔH=-203 kJ·mol^-1

写出CO与H₂O (g)反应生成H₂和CO₂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⁺)＞c(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0.2molCO，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1mol CH₄的同时消耗3mol H₂

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) :v(CO) :v(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^-1

①分析适当增大水醇比[n(H₂O) ∶n (CH₃OH)]对甲醇水蒸气重整制氢的好处____________。

②某温度下，将[n(H₂O) ∶n (CH₃OH)]=l∶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＝-41kJ•mol-1 ac 0.06 mol·L-1·min-1 0.011 （mol2·L-2） AC 有利于提高甲醇的转化率，从而提高氢气的产率

【解析】（1）已知：

①C(s)+2H2(g)CH4(g) ΔH=-73kJ·mol-1

②2CO(g)C(s)+CO2(g) ΔH=-171 kJ·mol-1

③CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O (g) ΔH=-203 kJ·mol-1

根据盖斯定律可知①+②－③即得到CO与H2O(g)反应生成H2和CO2的热化学方程式为CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)△H＝-41kJ•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溶液中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HS-离子水解程度都较小，所以离子浓度大小顺序是c(NH4+)＞c(HS-)＞c(OH-)＞c(H+)；根据H2S的电离常数可判断HS-离子的水解程度大于其电离程度，所以还存在c(NH4+)＞c(HS-)＞c(H2S)＞c(H+)，答案选ac；（3）①5min后达平衡，生成0.2molCO，则同时生成氢气是0.6mol，因此用H2表示该反应的速率为＝0.06 mol·L-1·min-1。平衡时剩余甲烷是0.8mol，水蒸气是1.2mol，因此甲烷、水蒸气、CO和氢气的浓度分别是（mol/L）0.4、0.6、0.1、0.3，此反应的平衡常数为。②A.正反应体积增大，体系的压强不再发生变化说明反应达到平衡状态，A正确；B.生成1molCH4的同时消耗3molH2均表示逆反应速率，不能说明反应达到平衡状态，B错误；C.各组分的物质的量浓度不再改变说明反应达到平衡状态，C正确；D.密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，体系的密度不再发生变化不能说明反应达到平衡状态，D错误；E.反应速率V(CH4):V(H2O):v(CO):v(H2)=1:1:1:3不能说明反应达到平衡状态，E错误；答案选AC；（4）①适当增大水醇比[n(H2O)∶n(CH3OH)]有利于提高甲醇的转化率，从而提高氢气的产率。②根据方程式可知

CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始量（mol） 1 1 0 0

转化量（mol） n n n 3n

平衡量（mol） 1－n 1－n n 3n

则，解得，所以平衡时甲醇的转化率为×100%。