Question

5．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，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（△H）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．寫出甲烷與水蒸氣的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol
（2）在一定溫度下，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 濃度 物質(zhì)	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol•L-1	0.13mol•L-1	0.1mol•L-1	0.1mol•L-1	0.09mol•L-1
H2	0mol•L-1	0.2mol•L-1	0.3mol•L-1	0.3mol•L-1	0.33mol•L-1

①計(jì)算該反應(yīng)第一次達(dá)平衡時(shí)的平衡常數(shù)K0.135
②3min時(shí)改變的反應(yīng)條件是升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 （只填一種條件的改變即可）．
（3）已知溫度、壓強(qiáng)、投料比X[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{H}_{2}O}$]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)，負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O
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c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)燃燒熱寫出熱化學(xué)方程式，利用蓋斯定律計(jì)算；
（2）①反應(yīng)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）根據(jù)三行式代入平衡常數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；
②根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知3min時(shí)達(dá)到平衡，再根據(jù)4min時(shí)各組分濃度變化量判斷改變的條件；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率越低，含量越高；
②根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)影響，結(jié)合圖象分析解答；
（4）①甲烷燃料電池工作時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷失電子被氧化反應(yīng)；
②計(jì)算氧氣的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算生成二氧化碳的物質(zhì)的量，根據(jù)n（KOH）與n（CO₂）比例關(guān)系判斷反應(yīng)產(chǎn)物，進(jìn)而計(jì)算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量，結(jié)合鹽類水解與電離等判斷離子濃度大�。�

解答 解：（1）已知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$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，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.1kJ/mol；
（2）①反應(yīng)方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），
      初起量（mol•L^-1）：0.2     0.3       0      0
       變化量（mol•L^-1）：0.1     0.1     0.1    0.3
       平衡量（mol•L^-1）：0.1      0.2     0.1    0.3
所以K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.1×0．{3}^{3}}{0.1×0.2}$=0.135，故答案為：0.135；
②3min時(shí)改變的反應(yīng)條件，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，可能為升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度，
故答案為：升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度；
（3）①碳水比n（CH₄）/n（H₂O）值越大，平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率越低，含量越高，故x₁＞x₂，故答案為：＞；
②該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡時(shí)甲烷的含量增大，故p₁＞p₂，故答案為：＞；
（4）①甲烷燃料電池工作時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷失電子被氧化反應(yīng)，負(fù)極電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②KHCO₃溶液中碳酸氫根離子的水解程度大于其電離程度，所以溶液顯示堿性，則該溶液中各離子濃度由大到小的關(guān)系為，故c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）＞c（CO₃^2-）．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較大，涉及化學(xué)平衡圖象、化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)平衡計(jì)算、原電池、化學(xué)計(jì)算、離子濃度比較等，為高考常見題型，難度中等，是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)與學(xué)生能力的綜合考查，注意把握化學(xué)平衡的影響因素以及圖象、數(shù)據(jù)的分析能力的培養(yǎng)．