Question

【題目】據報道，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰（甲烷的水合物)試采獲得成功。甲烷是一種重要的化工原料。

（1）甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，有以下三種：

部分氧化：CH4(g)+ O2(g)CO(g)+2H2(g) ΔH1=-35.9kJ·mol-1 ①

水蒸氣重整：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ②

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH3=-41.2kJ·mol-1 ③

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH4 ④

則反應②自發進行的條件是________________，ΔH4 =_____________kJ·mol-1。

（2）起始向密閉容器中充入一定量的CH4(g)和O2(g)，發生反應①。CH4(g)的平衡轉化率與溫度（T）和壓強（P）的關系如圖所示。

①N、P兩點的平衡常數：K(N)_______K(P)（填“＞”“＜”或“=”）,理由是_________。

②M、N兩點的H2的物質的量濃度c(M)______c(N)（填“＞”“＜”或“=”）。

（3）合成氣CO和H2在一定條件下能發生如下反應：CO(g) +2H2(g)CH3OH(g)。在容積均為V L的甲、乙、丙三個密閉容器中分別充入amol CO和2a mol H2，三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變，在其他條件相同的情況下，實驗測得反應均進行到t min時CO的體積分數如圖所示，此時三個容器中一定處在化學平衡狀態的是_________（填“T1”或“T2” 或“T3”）；該溫度下的化學平衡常數為___________（用a、V表示）。

（4）光能儲存一般是指將光能轉換為電能或化學能進行儲存，利用太陽光、CO2、H2O生成甲醇的光能儲存裝置如圖所示，制備開始時質子交換膜兩側的溶液質量相等。則b極的電極反應式為___________________；當電路中有3mol電子轉移時，質子交換膜兩側溶液相差_________g。

Answer 1

【答案】 高溫 +247.1 ＞ 反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，CH4(g)的平衡轉化率降低，所以T1＜T2,故P點平衡常數小于N點 ＜ T3 9V2/2a2 CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O 52

【解析】（1）本題考查自發反應的判斷和蓋斯定律的應用，根據符合判據，△G=△H－T△S，自發進行要求△G<0，根據②反應，此反應是吸熱反應，即△H>0，反應前氣體的系數和小于反應后氣體系數和，此反應是熵增，即△S>0， 此反應自發進行的條件是高溫，根據蓋斯定律，②－③得出△H4=(205.9＋41.2)kJ·mol－1=＋247.1kJ·mol－1；（2）考查化學平衡常數、影響化學平衡常數的因素、勒夏特列原理，反應①是放熱反應，作等壓線，升高溫度，甲烷的轉化率降低，即T2>T1，化學平衡常數只受溫度的影響，因此根據化學平衡常數的定義，推出K(N)>K(P)； ②N點的壓強大于M點，依據勒夏特列原理，增大壓強，平衡向體積減小的方向移動，針對反應①，增大壓強平衡雖然向逆反應方向移動，但平衡移動的趨勢微弱，組分濃度增大，即氫氣的濃度c(M)<c(N)；（3）本題考查化學平衡狀態的判斷、化學平衡常數的計算，隨著反應的進行，CO的體積分數應是降低，當達到平衡，升高溫度，平衡向逆反應方向進行，CO的體積分數增大，即T3達到平衡，T2不知道是不是最低點，無法確定是否達到平衡；CO(g) +2H2(g)CH3OH(g)

起始物質的量：a 2a 0

變化： x 2x x

平衡： a-x 2(a-x) x 根據圖像，因此有(a－x)/(3a－2x)×100%=20%，解得x=2a/3，根據平衡常數的表達式，K= ，代入數值，解得K=9V2/2a2；（4）本題考查電極反應式的書寫和電化學計算，根據工作原理，b極上生成甲醇，且此裝置的環境是酸性，因此b電極反應式為CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O，a極反應式為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，b極溶液增加CO2和H＋量，a極溶液減少O2和H＋的量，當電路中有3mol電子轉移，b極增加了1/2molCO2和3molH＋，即質量增加為(22＋3)g=25g，a極減少3/4molO2，為了平衡b極陰離子，需要從a電極向b電極移動3molH＋，即b極質量減少(24g＋3g)=27g，因此兩極溶液質量相差(27＋25)g=52g。