Question

【題目】天然氣是一種重要的化工原料，可用來生產氫氣和甲醇等高附加值化學品。回答下列問題：

（1）以天然氣為原料制取氫氣是工業上常用的制氫方法。

已知：

①CH4(g)+H2O(g) =CO(g)+3H2(g) ΔH1＝a kJ·mol-1

②CH4(g)+CO2(g) =2CO(g)+2H2(g) ΔH2＝b kJ·mol-1

③CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH3

請計算上述反應中的反應熱ΔH3=_________（用a、b表示）kJ·mol-1。

（2）合成甲醇的反應原理為：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) 在1L的密閉容器中，充入1mol CO2和3 mol H2，在500℃下發生反應，測得CO2(g)和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如圖所示。

①反應進行到4 min 時，v(正)____ （填“>”“<”或“=”）v(逆)。0~4 min，CO2的平均反應速率v(CO2)=____________mol·L-1·min-1。

②CO2的平衡轉化率為_______________，該溫度下平衡常數為_____________。

③下列能說明該反應已達到平衡狀態的是______________。

a.v正(CH3OH)=3v逆(H2)

b.CO2、H2、CH3OH和H2O濃度之比為1: 3 :1: 1

C.恒溫恒壓下，氣體的體積不再變化

d.恒溫恒容下，氣體的密度不再變化

（3）在相同溫度、相同容積的3個密閉容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時的有關數據如下：

容器	容器1	容器2	容器3
反應物投入量	1mol CO2，3 mol H2	0.5mol CO2，1.5mol H2	1mol CH3OH，1mol H2O
CH3OH的平衡濃度/mol·L-1	c1	c1	c3
平衡時體系壓強/Pa	p1	p2	p3

則下列各量的大小關系為c1_________（填“>”“<”或“=”，下同）c3，p2________p3。

（4）為提高燃料的能量利用率，常將其設計為燃料電池。某電池以甲烷為燃料，空氣為氧化劑，熔融的K2CO3為電解質，以具有催化作用和導電性能的稀土金屬為電極。寫出該燃料電池的負極反應式：__________________________；為使電解質的組成保持穩定，使該燃料電池長時間穩定運行，在通入的空氣中必須加入________________（填化學式）。

Answer 1

【答案】 2a-b > 0.125 75% 5.33或 c = < CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O CO2

【解析】（1）根據蓋斯定律可得③=①-②，所以ΔH3=2ΔH1-ΔH2=（2a-b）kJ·mol-1，答案為：2a-b

（2）①反應進行到4 min 時CH3OH和CO2的濃度相等，但反應未達到平衡狀態，還在向正反應方向進行，因此v(正) >v(逆)；0~4 min時，v(CO2)==0.125 mol·L-1·min-1

②根據圖像可知CO2的平衡轉化率＝×100%＝75%，該溫度下平衡常數為K=== mol-2·L2或5.33 mol-2·L2

③a.反應速率之比等于化學方程式計量數之比，因此3v正(CH3OH)=v正(H2)，所以v正(CH3OH)=3v逆(H2)不能說明CH3OH正逆反應速率相同，a錯誤；b.平衡時反應混合物中各組分的含量保持不變，但容器內CO2、H2、CH3OH和H2O的濃度之比不一定為1: 3 :1: 1，所以不能作為平衡的標志，b錯誤；C.該反應是氣體分子數變化的反應，恒溫恒壓下，氣體的體積不再變化，可以作為平衡的標志，c正確；d. 反應前后氣體的質量不變，容器的體積不變，所以密度始終保持不變，因此混合氣體的密度保持不變不能作為平衡的標志，d錯誤；答案為：①0.125②75% 、5.33或③c

（3）根據方程式并采用一邊倒的方法可知，1molCH3OH、1molH2O完全轉化為反應物就是1molCO2、3molH2，因此容器1和容器3是等效平衡，所以平衡時甲醇的濃度c1等于c3；容器2相當于在容器1的基礎上減小壓強，平衡向逆反應方向移動，則平衡時p2小于p3答案為： = 、<

（4）甲烷燃料電池以甲烷為燃料，以空氣為氧化劑，以熔融的K2CO3為電解質，電池負極反應為：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O，正極反應為O2+4e-+2CO2=2CO32-，總反應為CH4+2O2=CO2+2H2O，由于通入空氣的一極是電源的正極，正極上消耗二氧化碳，為使電解質的組成保持穩定，使該燃料電池長時間穩定運行，在通入的空氣中必須加入CO2。答案為：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O 、CO2