Question

（17分）CO和H₂的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業原料氣，可以在一定條件下制備甲醇，二甲醚等多種有機物。工業上利用天然氣（主要成分為CH₄）與水進行高溫重整制備合成氣。
（1） 已知：CH₄、H₂和CO的燃燒熱分別為890.3kJ/mol、285.8kJ/mol和283.0kJ/mol，且1mol液態水汽化時的能量變化為44.0kJ。寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應制取合成氣的熱化學方程式                  。
（2）在一定條件下，向體積為2L的密閉容器中充入0.40mol CH₄和0.60mol H₂O(g)，測得CH₄(g)和H₂(g)的物質的量濃度隨時間變化如下表所示：

時間/min 物質 濃度	0	1	2	3	4
CH4	0.2mol·L—1	0.13 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.1 mol·L—1	0.09 mol·L—1
H2	0 mol·L—1	0.2 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.3 mol·L—1	0.33 mol·L—1

①3—4min之間，化學平衡向___   ____反應方向移動（填“正”或“逆”）。
②3min時改變的反應條件是____________________（只填一種條件的改變）
（3）已知溫度、壓強、投料比X〔n(CH₄)/n(H₂O)〕對該反應的影響如圖所示。

①圖1中的兩條曲線所示投料比的關系X₁____X₂(填“=”“>”或“<”下同)
②圖2中兩條曲線所示的壓強比的關系：p₁_______p₂
（4）以天然氣（設雜質不參與反應）、KOH溶液為原料可設計成燃料電池
①放電時，正極的電極反應式_______________________________________
②設裝置中盛有100.0mL 3.0mol/L KOH溶液，放電時參與反應的氧氣在標準狀況下的體積為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系為                     ____。

Answer 1

（17分）
（1）CH₄(g)＋H₂O(g)＝CO(g)＋3H₂(g)  △H＝+206.1kJ/mol（3分，狀態或配平或單位或+每少（或錯）一項扣1分，最多扣3分；△H數值錯了0分。）
（2）①正 （2分），②升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 （2分）
（3）①＞；（2分） ②＞。（2分）
（4）O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—（2分，沒配平扣1分。）
c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ ) （4分）

試題分析：（1）已知：①H₂（g）+1/2O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1
②CO（g）+1/2O₂（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；
（2）①3—4min之間，甲烷的物質的量濃度減少，氫氣的物質的量濃度增加，所以化學平衡向正反應方向移動；
②3min時，甲烷、氫氣的濃度未變，說明與容器體積無關，而平衡正向移動，所以改變的條件是升高溫度或增大H₂O的濃度或減小CO的濃度 ；
（3）①根據增大一種反應物的濃度會增大另一種反應物的轉化率，本身轉化率降低，X₁時甲烷的含量高，說明增大了甲烷的濃度，所以X₁>X₂；
②p₁時的甲烷的含量高于p₂，壓強大對逆反應有利，所以p₁>p₂
（4）①放電時，正極是氧氣發生還原反應，結合電解質溶液，正極反應式為O₂＋4e^—＋2H₂O＝4OH^—
②標準狀況下氧氣的體積為8.96L，物質的量是0.4mol，則轉移電子1.6mol，根據CH₄～8e^-～CO₂，可知生成二氧化碳0.2mol，溶液中KOH的物質的量是0.3mol，n(CO₂):n(KOH)=2:3,介于1/2-1之間，所以產物既有碳酸鉀，又有碳酸氫鉀，根據C元素與Na元素守恒，計算K₂CO₃、KHCO₃的物質的量均是0.1mol，溶液中CO₃^2-的水解程度大于HCO₃^-的水解程度，溶液呈堿性，所以溶液中離子濃度的大小關系是 c(K⁺)＞c (HCO₃^- )＞c (CO₃^2- )＞c (OH^- )＞c( H⁺ )。