Question

【題目】當前情況下散燒煤和沒有清潔的煤是造成中國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。

(1)已知：H2O(g)=H2O(l) △H=-44 kJ·mol-1

物質	H2(g)	C(s)	CO(g)
燃燒熱kJ·mol-1	285.8	393.5	283.0

⑴請寫出煤的氣化反應生成合成氣(CO和H2)的熱化學方程式_______。

②在恒溫、恒容的反應器中，能表明上述反應達到平衡狀態的是_______。

a.混合氣體平均相對分子質量不再改變
b.氣體壓強不再改變

c.各氣體濃度相等
d.反應體系中溫度保持不變

e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氧鍵速率的2倍
f.混合氣體密度不變

g.單位時間內，消耗水的質量與生成氫氣的質量比為9:1

(2)甲醇是重要的化工原料，又可作為燃枓。工業上利用合成氣（主要成分為CO、CO2、H2）在催化劑的作用下合成甲醇，其中部分主反應如下：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH (g) +H2O(g) △H=-58kJ/mol

①請推斷該反應自發進行的條件為____________

②若將lmolCO2和2molH2充入容積為2L的恒容密閉容器中，在兩種不同溫度下發生反應。測得CH3OH的物質的量隨時間的變化如圖所示。

曲線I、II對應的平衡常數大小關系為KI__KII(填“>”或“=”或“<”)；若5min后反應達到平衡狀態，H2的轉化率為90%，則用CO2表示的平均反應速率為_____，該溫度下的平衡常數為___；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是_____。

a.升高溫度b.使用合適的催化劑 c.充入He d.按原比例再充入CO2和H2

(3)CH4燃料電池利用率很高，裝置中添加1L 2 mol·L-1 的KOH溶液為電解質，持續緩慢通入標準狀況下甲烷2.24L時負極電極反應為_________________。

Answer 1

【答案】 C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.3kJ/mol abef 由于該反應△S<0, △H<0,故根據△G=△H-T △S<0反應自發，可判斷該反應在低溫下自發進行、 > 0.06mol/(L·min) 450 d CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O

【解析】（1）①本題考查熱化學反應方程式的計算，①C(s)＋O2(g)=CO2(g) △H=－393.5kJ·mol－1，②H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(l) △H=－285.8kJ·mol－1，③CO(g)＋1/2O2(g)=CO2(g) △H=－283.0kJ·mol－1，④H2O(g)=H2O(l) △H=－44kJ·mol－1，

①＋④－②－③得到：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=(－393.5－44＋285.8＋283.0)kJ·mol－1=＋131.3kJ·mol－1；②本題考查化學平衡狀態的判斷，a、根據M=m/n，C為固體，隨著反應進行氣體的質量增大，氣體物質的量增大，因此當平均摩爾質量保持不變，說明反應達到平衡，故a正確；b、反應前后氣體系數之和不相等，因此當壓強不變，說明反應達到平衡，即b正確；c、因為沒有說明開始時的投入量以及轉化率，組分濃度相等，不能說明反應達到平衡，故c錯誤；d、反應器是恒溫狀態，溫度始終保持不變，因此溫度不變，不能說明反應達到平衡，故d錯誤；e、用不同物質的速率表示達到平衡，要求反應方向一正一逆，斷裂H－O鍵，說明反應向正反應方向進行，斷裂H－H鍵，說明反應向逆反應方向進行，然后速率之比等于化學計量數之比，1molH2O中含有2molH－O鍵，1molH2中含有1molH－H，因此斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氧鍵速率的2倍，說明反應達到平衡，故e正確；f、根據密度的定義，因為C是固體，因此氣體質量增大，反應器是恒容狀態，因此體積不變，即密度不變，說明反應達到平衡，故f正確；g、反應方向都是向正反應方向進行，單位時間內，消耗水的質量與生成氫氣的質量比為9:1，不能說明反應達到平衡，故g錯誤；（2）①考查判斷化學反應進行的方向，根據△G=△H－T△S，根據反應方程式，推出△H<0，△S<0，如果自發進行，△G<0，因此在低溫下能夠自發進行；②考查化學平衡的計算、化學平衡常數、勒夏特列原理，根據圖像，先達到平衡，說明反應速率快，即II的溫度高于I，因為該反應的正反應是放熱反應，溫度升高平衡向逆反應方向移動，因此KII<KI，消耗氫氣2×90%mol=1.8mol，同時消耗CO2的物質的量為1.8/3mol=0.6mol，因此CO2的轉化率為0.6/(2×5)mol/(L·min)=0.06 mol/(L·min)；CO2(g)+3H2(g)CH3OH (g) +H2O(g)

起始濃度：0.5 1 0 0

變化濃度：0.3 0.9 0.3 0.3

平衡濃度: 0.2 0.1 0.3 0.3 根據平衡常數的定義，K= = =450；a、正反應是放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的產率降低，故a錯誤；b、催化劑對化學平衡無影響，甲醇產率不變，故b錯誤；c、恒容狀態下，充入非反應氣體，組分濃度度不變，平衡不移動，故c錯誤；d、相當于在原來的基礎上增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的產率提高，故d正確；（3）考查電極反應式的書寫，燃料電池相當于燃燒，因此通甲烷的一極為負極，環境是堿，因此電極反應式為：CH4-8e－+10OH－=CO32－+7H2O。