Question

【題目】人口資源環(huán)境委員會(huì)副主任、中國(guó)科學(xué)院院士秦大河表示，當(dāng)前情況下散燒煤和沒(méi)有清潔的煤是造成中國(guó)城市霧霾或者東部霧霾的主要原因。煤的氣化是解決霧霾，清潔地利用煤炭的重要途徑之一。

⑴已知:H2O(g)=H2O(I) △H=-44kJ/mol

物質(zhì)	H2(g)	C(s)	CO(g)
燃燒熱kJ/mol	-285.8	-393.5	-283.0

①請(qǐng)寫(xiě)出煤的氣化反應(yīng)生成合成氣(CO和H2)的熱化學(xué)方程式___________。

②在恒溫、恒容的反應(yīng)器中，能表明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是_______。

a.混合氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變

b.氣體壓強(qiáng)不再改變

c.各氣體濃度相等

d.反應(yīng)體系中溫度保持不變

e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍

f.混合氣體密度不變

g.單位時(shí)間內(nèi)，消耗水的質(zhì)量與生成氫氣的質(zhì)量比為9：1

⑵在催化劑作用下合成氣合成甲烷過(guò)程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

I CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol

II CO(g)+H2O(g) = CO2(g)+H2(g) △H2= -41 kJ/mol

Ⅲ 2CO(g)+2H2(g)= CH4(g)+CO2(g) △H 3= -247.4 kJ/mol

①圖1是太原理工大學(xué)煤化工研究所利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析得到溫度對(duì)反應(yīng)ⅠInK(化學(xué)平衡常數(shù)K的自然對(duì)數(shù))的曲線圖,請(qǐng)分析出現(xiàn)這樣趨勢(shì)的原因是____________。

②提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是_______，根據(jù)相關(guān)知識(shí)和圖2分析合成甲烷適宜的反應(yīng)條件是在550～630K，1MPa的原因是__________________。

③850℃時(shí)在體積為5L反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，CO和H2O(g)濃度變化如圖所示，請(qǐng)列式計(jì)算此條件下的平衡常數(shù)_____________ 。

(3)CH4燃料電池利用率很高，裝置中添加1L2mol/L的KOH溶液為電解質(zhì)，持續(xù)緩慢通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷22.4L～33.6 L時(shí)負(fù)極電極反應(yīng)為_(kāi)__________。

Answer 1

【答案】 ⑴① C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol ② abef

⑵①在其他條件不變時(shí),溫度升高反應(yīng)I向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)使InK減小②催化劑 此條件下反應(yīng)速率較快而且甲烷產(chǎn)率較高 ③K= = =1

⑶CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-

【解析】⑴①已知：①H2O(g)=H2O(I) △H1= -44kJ/mol ②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H2= -285.8kJ/mol ③C(s)+O2(g)=CO2 △H3= -393.5 kJ/mol ④CO(g)O2(g)=CO2 △H4= -283.0 kJ/mol；根據(jù)蓋斯定律③+①-②-④可得C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ，△H=③+①-②-④=( -393.5 kJ/mol)+(-44kJ/mol)-(-285.8kJ/mol)-(-283.0 kJ/mol)=+131.31kJ/mol，即煤的氣化反應(yīng)生成合成氣(CO和H2)的熱化學(xué)方程式為C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol：

②已知C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) 反應(yīng)物中有一種是固體，生成物方向是體積增大的方向；a.氣體的總質(zhì)量和氣體總物質(zhì)的量是不確定值，當(dāng)混合氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變時(shí)是平衡狀態(tài)，故a正確；b.反應(yīng)混合氣體的總物質(zhì)的量是不確定的值，當(dāng)氣體壓強(qiáng)不再改變時(shí)，說(shuō)明氣體總物質(zhì)的量不再改變，是平衡狀態(tài)，故b正確；c.各氣體濃度相等時(shí)不一定是平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；d.恒溫容器，溫度保持不變，體系不一定達(dá)到平衡，故d錯(cuò)誤；e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍，說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故e正確；f.混合氣體密度不變，說(shuō)明氣體的總質(zhì)量不再隨時(shí)間的變化而變化，是平衡狀態(tài)，故f正確；g.單位時(shí)間內(nèi)，消耗水的質(zhì)量與生成氫氣的質(zhì)量比為9：1，均為正反應(yīng)速率，無(wú)法判斷是平衡狀態(tài)，故g錯(cuò)誤；答案為abef；

⑵①CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol此反應(yīng)正方向是放熱反應(yīng)，在其它條件不變的情況下，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減少，InK也減�。�

②催化劑只改變反應(yīng)速率，不影響平衡的移動(dòng)，是提高甲烷反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素，根據(jù)相關(guān)知識(shí)和圖2分析在在550～630K和1Mpa的條件下反應(yīng)速率較快而且甲烷產(chǎn)率較高是合成甲烷適宜的反應(yīng)條件；

③ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始濃度（mol/L） 0.20 0.30 0 0

變化濃度（mol/L） 0.12 0.12 0.12 0.12

平衡濃度（mol/L） 0.08 0.18 0.12 0.12

50℃時(shí)條件下的平衡常數(shù)K= = =1；

(3)n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，22.4L＜V≤33.6L時(shí)，根據(jù)原子守恒得1mol＜n（CO2）≤1.5mol，反應(yīng)生成碳酸氫鉀，負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-。