Question

（17分）CO和H₂的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業(yè)原料氣，可以在一定條件下制備甲醇，二甲醚等多種有機(jī)物。工業(yè)上利用天然氣（主要成分為CH₄）與水進(jìn)行高溫重整制備合成氣。
（1） 已知：CH₄、H₂和CO的燃燒熱分別為890.3kJ/mol、285.8kJ/mol和283.0kJ/mol，且1mol液態(tài)水汽化時(shí)的能量變化為44.0kJ。寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應(yīng)制取合成氣的熱化學(xué)方程式                  。
（2）在一定條件下，向體積為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O(g)，測(cè)得CH₄(g)和H₂(g)的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間變化如下表所示：

時(shí)間/min 物質(zhì) 濃度	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol·L—1	0.13 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.09 mol·L—1
H2	0 mol·L—1	0.2 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.33 mol·L—1

①3—4min之間，化學(xué)平衡向___   ____反應(yīng)方向移動(dòng)（填“正”或“逆”）。
②3min時(shí)改變的反應(yīng)條件是____________________（只填一種條件的改變）
（3）已知溫度、壓強(qiáng)、投料比X〔n(CH₄)/n(H₂O)〕對(duì)該反應(yīng)的影響如圖所示。

①圖1中的兩條曲線所示投料比的關(guān)系X₁____X₂(填“=”“>”或“<”下同)
②圖2中兩條曲線所示的壓強(qiáng)比的關(guān)系：p₁_______p₂
（4）以天然氣（設(shè)雜質(zhì)不參與反應(yīng)）、KOH溶液為原料可設(shè)計(jì)成燃料電池
①放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式_______________________________________
②設(shè)裝置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時(shí)參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為8.96L，放電過程中沒有氣體逸出，則放電完畢后，所得溶液中各離子濃度由大到小的關(guān)系為                     ____。

Answer 1

（17分）
（1）CH₄(g)＋H₂O(g)＝CO(g)＋3H₂(g)  △H＝+206.1kJ/mol（3分，狀態(tài)或配平或單位或+每少（或錯(cuò)）一項(xiàng)扣1分，最多扣3分；△H數(shù)值錯(cuò)了0分。）
（2）①正 （2分），②升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 （2分）
（3）①＞；（2分） ②＞。（2分）
（4）O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—（2分，沒配平扣1分。）
c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ ) （4分）

試題分析：（1）已知：①H₂（g）+1/2O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+1/2O₂（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，
利用蓋斯定律將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）①3—4min之間，甲烷的物質(zhì)的量濃度減少，氫氣的物質(zhì)的量濃度增加，所以化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
②3min時(shí)，甲烷、氫氣的濃度未變，說明與容器體積無關(guān)，而平衡正向移動(dòng)，所以改變的條件是升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 ；
（3）①根據(jù)增大一種反應(yīng)物的濃度會(huì)增大另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，本身轉(zhuǎn)化率降低，X₁時(shí)甲烷的含量高，說明增大了甲烷的濃度，所以X₁>X₂；
②p₁時(shí)的甲烷的含量高于p₂，壓強(qiáng)大對(duì)逆反應(yīng)有利，所以p₁>p₂
（4）①放電時(shí)，正極是氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，結(jié)合電解質(zhì)溶液，正極反應(yīng)式為O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—
②標(biāo)準(zhǔn)狀況下氧氣的體積為8.96L，物質(zhì)的量是0.4mol，則轉(zhuǎn)移電子1.6mol，根據(jù)CH₄～8e^-～CO₂，可知生成二氧化碳0.2mol，溶液中KOH的物質(zhì)的量是0.3mol，n(CO₂):n(KOH)=2:3,介于1/2-1之間，所以產(chǎn)物既有碳酸鉀，又有碳酸氫鉀，根據(jù)C元素與Na元素守恒，計(jì)算K₂CO₃、KHCO₃的物質(zhì)的量均是0.1mol，溶液中CO₃^2-的水解程度大于HCO₃^-的水解程度，溶液呈堿性，所以溶液中離子濃度的大小關(guān)系是 c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ )。