Question

工业上利用天然气（主要成分是CH4）与H2O进行高温重整制备合成气（CO+H2），CO和H2在一定条件下能制备甲

工业上利用天然气（主要成分是CH4）与H2O进行高温重整制备合成气（CO+H2），CO和H2在一定条件下能制备甲醛、甲醚等多种有机物．已知CH4、H2和CO的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ?mol-1、-285.8kJ?mol-1和-283.0kJ?mol-1；18.0g水蒸气液化时的能量变化为44.0kJ．（1）写出甲烷与水蒸气在高温下反应制合成气的热化学方程式______．（2）在一定条件下，向体积固定为2L的密闭容器中充入0.40mol CH4（g）和0.60mol H2O（g），测得CH4（g）和H2（g）的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示．3min时改变条件，反应进行到4min时，体系中各物质的物质的量如下表所示： t/min n（CH4）/mol n（H2O）/mol n（CO）/mol n（H2）/mol 4 0.18 0.38 0.22 0.66则3～4min之间，平衡向______（填“正”或“逆”）反应方向移动，3min时改变的条件是______．（3）已知温度、压强和碳水比[n(CH4)n(H2O)]对该反应的影响如图所示．①图l中，两条曲线所示温度的关系：t1______t2（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．②图2中，两条曲线所示碳水比的关系：x1______x2．③图3中，两条曲线所示压强的关系：p1______p2．（4）以天然气（假设杂质不参与反应）为原料的燃料电池示意图如图所示． ①放电时，正极的电极反应式为______．②假设装置中盛装100.0mL 3.0mol?L-1 KOH溶液，放电时参与反应的氧气在标准状况下体积为8 960mL．放电完毕后，电解质溶液中各离子浓度的大小关系为______．





Answer 1

（1）已知：①H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+

1

2

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，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1 kJ?mol^-1；
（2）根据图象可知3min时，平衡时甲烷的浓度为0.1mol/L，氢气的浓度为0.3mol/L，则：
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）：0.2      0.3      0      0
变化（mol/L）：0.1      0.1      0.1    0.3
平衡（mol/L）：0.1      0.2      0.1    0.3
4min时甲烷的浓度为0.09mol/L，浓度减小0.1-0.09=0.01
水的浓度为0.19mol，浓度减小0.2-0.19=0.01；
CO的浓度为0.11，浓度增大0.11-0.1=0.01
氢气的浓度为0.33，浓度增大0.33-0.3=0.03
浓度变化量之比为1：1：1：3，等于化学计量数之比，应是改变温度平衡向正反应方向移动，该反应正反应是吸热反应，故3min改变条件为升高温度；
故答案为：正；升高温度；
（3）①该反应正反应为吸热反应，升高温度平衡向正反应方向移动，甲烷的含量降低，故温度t₁＜t₂，故答案为：＜；
②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：＞；
③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，平衡时甲烷的含量降低，故p₁＞p₂，故答案为：＞；
（4）①正极发生还原反应，氧气在正极放电生成氢氧根离子，正极电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②参与反应的氧气在标准状况下体积为8960mL，物质的量为

8.96L

22.4L/mol

=0.4mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为

0.4mol×4

8

=0.2mol，n（NaOH）=0.1L×3.0mol?L^-1=0.3mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.3mol：0.2mol=3：2，介于1：1与2：1之间，故生成碳酸钾、碳酸氢钾，令碳酸钾、碳酸氢钾的物质的量分别为xmol、ymol，则x+y=0.2，2x+y=0.3，解得x=0.1，y=0.1，溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），钾离子浓度最大，水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．