题目

蕴藏在海底的大量“可燃冰”，其开发利用是当前解决能源危机的重要课题。用甲烷制水煤气(CO、H2)，再合成甲醇可以代替日益供应紧张的燃油。下面是产生水煤气的几种方法： ①CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)ΔH1＝＋206.2 kJ·mol－1 ②CH4(g)＋O2(g)===CO(g)＋2H2(g)ΔH2＝－35.4 kJ·mol－1 ③CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)ΔH3＝＋165.0 kJ·mol－1 (1)CH4(g)与CO2(g)反应生成CO(g)和H2(g)的热化学方程式为___________________。 (2)从原料、能源利用的角度，分析以上三个反应，作为合成甲醇更适宜的是反应________(填序号)。 (3)也可将CH4设计成燃料电池，来解决能源问题，如图装置所示。持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷V L。 ①0<V≤33.6 L时，负极电极反应式为____________________________。 ②33.6 L<V≤67.2 L时，电池总反应方程式为____________________________。 ③V＝44.8 L时，溶液中离子浓度大小关系为______________________________。 (4)工业合成氨时，合成塔中每产生1 mol NH3，放出46.1 kJ的热量。某小组研究在上述温度下该反应过程中的能量变化。他们分别在体积均为V L的两个恒温恒容密闭容器中加入一定量的反应物，使其在相同温度下发生反应。相关数据如下表： 容器编号 起始时各物质物质的量/mol 达到平衡的时间/min 达到平衡时体系能量的变化/kJ N2 H2 NH3 Ⅰ 1 4 0 t1 放出热量：36.88 Ⅱ 2 8 0 t2 放出热量：Q ①容器Ⅰ中，0～t1时间的平均反应速率v(H2)＝____________。 ②下列叙述正确的是________(填字母)。 a．平衡时，两容器中H2的体积分数相等 b．容器Ⅱ中反应达到平衡状态时，Q>73.76 c．反应开始时，两容器中反应的化学反应速率相等 d．平衡时，容器中N2的转化率：Ⅰ<Ⅱ e．两容器达到平衡时所用时间：t1>t2 (5)如图是在反应器中将N2和H2按物质的量之比为1∶3充入后，在200 ℃、400 ℃、600 ℃下，反应达到平衡时，混合物中NH3的体积分数随压强的变化曲线。 ①曲线a对应的温度是________。 ②图中M、N、Q点平衡常数K的大小关系是________。 ③M点对应的H2转化率是________。 答案：解析：(1)由盖斯定律，将反应①×2－③得：CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247.4 kJ·mol－1。 (2)题给3个反应生产水煤气，从原料角度看都易得，但从能量角度看，反应①和③是吸热反应，反应②是放热反应，所以反应②比较适合应用于生产。 (3)由于燃料电池中电解液(氢氧化钠溶液)中n(NaOH)＝3 mol，因此燃料电池放电时，当负极消耗标准状况下甲烷0<V≤33.6 L时，即生成n(CO2)≤1.5 mol，生成碳酸钠，负极反应式为CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O；当消耗标准状况下甲烷33.6 L<V≤67.2 L时，生成物Na2CO3转化为NaHCO3，总电池反应式可写为CH4＋2O2＋Na2CO3===2NaHCO3＋H2O；V＝44.8 L时，溶液中电解质为物质的量相等的碳酸钠和碳酸氢钠的混合溶液，水解显碱性，但由于碳酸钠水解程度大于碳酸氢钠，因此溶液中离子浓度关系为c(Na＋)>c(HCO)>c(CO)>c(OH－)>c(H＋)。 (4)①由题意知产生1 mol NH3，放出46.1 kJ的热量，结合容器Ⅰ中放出的热量可得，其中反应生成的氨气的物质的量为＝0.8 mol，则用氨气表示的反应速率为 mol·L－1·min－1，由反应方程式的化学计量数关系知，相同时间内用氢气表示的反应速率是氨气的1.5倍，则用氢气表示的反应速率v(H2)＝ mol·L－1·min－1。②由于容器Ⅰ和Ⅱ容积相等，但初始加入的反应物的量后者是前者的2倍，相当于增大压强，而合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡向右移动，因此，平衡时容器Ⅰ中氢气的体积分数大于容器Ⅱ，a项错误；反应达到平衡状态时容器Ⅱ中Q>2×36.88，b项正确；由于两容器初始时反应物浓度不等，故化学反应速率不等，c项错误；压强大的容器Ⅱ中反应物的转化率大，d项正确，容器Ⅱ相当于在容器Ⅰ的基础上加压，其反应物浓度高，反应速率快，因此容器Ⅱ比容器Ⅰ先达到平衡状态，e项正确。 (5)①合成氨反应是体积减小的放热反应，因此温度高反应速率快，但达到平衡时氨的含量低，增加压强达到平衡时氨的含量变大，因此在坐标图中向横坐标作垂线交于3个曲线，根据同压下不同温度时平衡时氨的含量，可以判断曲线的温度高低；合成氨反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应的进行，曲线a的NH3的物质的量分数最高，其反应温度应相对最低，由此可判断曲线a对应的温度是200 ℃。②Q、M点的温度相等(均为400 ℃)，平衡常数相等，N点在温度为600 ℃的曲线上，合成氨是放热反应，温度越高平衡常数越小，因此有：KQ＝KM>KN。③在M点NH3的物质的量分数为60%，又按n(N2)∶n(H2)＝1∶3投料，设氢气的转化率为x，则平衡时各物质的量为n(N2)＝(1－x) mol，n(H2)＝3×(1－x) mol，n(NH3)＝2x mol，则有×100%＝60%，得x＝0.75，即H2的转化率为75%。 答案：(1)CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)ΔH＝＋247.4 kJ·mol－1 (2)② (3)①CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O ②CH4＋2O2＋Na2CO3===2NaHCO3＋H2O ③c(Na＋)>c(HCO)>c(CO)>c(OH－)>c(H＋) (4)① mol·L－1·min－1　②bde (5)①200 ℃　②KQ＝KM>KN　③75%

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