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填空题 (14分)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。用1 m3(标准状况)的甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气所需的热量为 (保留整数)。
(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:
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[n(CH4)/n(H2O)]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 ; 。
填空题 (14分)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。用1 m3(标准状况)的甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气所需的热量为 (保留整数)。
(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:
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[n(CH4)/n(H2O)]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 。
本题答案:(每空2分,共14分)
(1)9201 kJ(9200
本题解析:
试题分析:(1)甲烷和水蒸气高温反应生成CO和氢气的化学方程式是CH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g),根据CH4、H2和CO的燃烧热和水气化时吸收的热量及盖斯定律,则1mol甲烷与水蒸气反应的热效应为△H=[-890.3-(-283)-(285.8×3)-44]kJ=206.1kJ/mol,则1立方米的甲烷完全与水蒸气反应放出的热量是1000L/22.4L/mol×206.1kJ/mol=9201kJ;
(2)①该反应第一次达平衡是在第2min时,甲烷的平衡浓度是0.1mol/L,氢气的平衡浓度是0.3mol/L,根据化学方程式CH4(g)+H2O(g)=3H2(g)+CO(g)可计算CO的平衡浓度是0.1mol/L,水蒸气的平衡浓度是0.60mol/2L-0.1mol/L=0.2mol/L,则该反应的平衡常数K=(0.1×0.33)/(0.1×0.2)=0.135;
②4min与3min时的物质的浓度相比,氢气的浓度增 大0.03mol/L,而甲烷的浓度减小0.01mol/L,说明平衡正向移动,而该反应是吸热反应,所以可能是升高温度而使平衡正向移动;或者是增大水蒸气的量,使平衡正向移动;
(3)①增大水蒸气的物质的量,平衡正向移动,会增大甲烷的转化率,则甲烷的体积分数会减小,相同温度时曲线X2比曲线X1低,所以X2中水蒸气的比例大,则甲烷的比例小,所以X1> X2;
②投料比相同时,压强增大,平衡逆向移动,甲烷的百分含量增大,P1曲线在P2曲线的上方,所以P1>P2;
(4)①以甲烷为燃料的碱性燃料电池中,甲烷在负极发生氧化反应,失去电子生成的二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水,所以负极的电极反应式为CH4-8e-+10OH- =CO32-+7H2O;
②放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为8.96L,物质的量是8.96L/22.4L/mol=0.4mol,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-,则转移电子的物质的量是1.6mol,需要0.2mol甲烷气体,若生成碳酸根离子,则需要KOH的物质的量至少2mol,现在溶液中KOH的物质的量是0.1L×3mol/L=0.3mol<2mol,根据元素守恒,0.2mol甲烷产生0.2mol二氧化碳与0.3molKOH反应,生成0.1molKHCO3和0.1molK2CO3,溶液呈碱性,碳酸根离子的水解程度大于碳酸氢根离子,所以溶液中钾离子的浓度最大,其次是碳酸氢根离子,然后是碳酸根离子、氢氧根离子,最小的为氢离子,即c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)。
考点:考查盖斯定律的应用,平衡移动的判断,化学平衡常数的计算,电化学反应原理的应用,离子浓度的比较
本题所属考点:【热化学方程式】
本题难易程度:【困难】
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