Question

【題目】能源是人類共同關注的重要問題。頁巖氣是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的天然氣資源，頁巖氣的主要成分是甲烷，是公認的潔凈能源。

（1）頁巖氣不僅能用作燃料，還可用于生產合成氣(CO和H2)。CH4與H2O(g)通入聚焦太陽能反應器，發生反應 CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1

已知：①CH4、H2、CO 的燃燒熱（△H）分別為-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；

②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1

則△H1= ___________（用含字母a、b、c、d的代數式表示）kJmol-1。

（2）用合成氣生成甲醇的反應為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2，在10L恒容密閉容器中按物質的量之比1∶2充入CO和H2，測得CO的平衡轉化率與溫度和壓強的關系如下圖所示，200℃時n(H2)隨時間的變化如下表所示：

t/min	0	1	3	5
n(H2)/mol	8.0	5.4	4.0	4.0

①△H2_________ (填“>”“<”或“ = ”)0。

②下列說法正確的是____________ (填標號）。

a.溫度越高，該反應的平衡常數越大

b.達平衡后再充入稀有氣體，CO的轉化率提高

c.容器內氣體壓強不再變化時，反應達到最大限度

d.圖中壓強p1<p2

③ 03 min內用CH3OH表示的反應速率v(CH3OH)=________mol L-1·min-1。

④ 200℃時，該反應的平衡常數K =_______。向上述200℃達到平衡的恒容密閉容器中再加入2 mol CO、2 mol H2、2 mol CH3OH，保持溫度不變，則化學平衡____________(填“正向”、“逆向”或“不”)移動。

（3）甲烷、氧氣和KOH溶液可組成燃料電池。標準狀況下通入5.6 L甲烷，測得電路中轉移1.2 mol電子，則甲烷的利用率為_________。

Answer 1

【答案】 -a+3b+c–d < cd （或0.067） 6.25 正向 60%

【解析】（1） CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1，已知：①CH4、H2、CO 的燃燒熱（△H）分別為-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1，由蓋斯定律可知，②×3+③-①-④可知，則△H1=-a+3b+c–d kJmol-1。

（2）CO的平衡轉化率與溫度和壓強的關系如下圖所示，200℃時n(H2)隨時間的變化如下表所示：，①由圖示可知在恒壓條件下，隨著溫度的升高CO的轉化率降低，說明升高溫度平衡逆向移動，即正反應為放熱反應，△H2＜0。②a、正方向為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減小，故a錯誤；b.達平衡后再充入稀有氣體，壓強增大，但平衡不移動，CO的轉化率不變，故b錯誤；c.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)，達到平衡前氣體總物質的量在不斷變化，當容器內氣體壓強不再變化時，說明混合氣體的總物質的量不再改變，反應達到平衡，即反應達到最大限度，故c正確；d.、由圖示可知，在恒溫恒容的條件下，增大壓強，平衡向正方向移動，CO的轉化率增大，即圖中壓強p1＜p2，故d正確；故選cd；③由圖表可知，3min后反應達到平衡狀態

CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

起始濃度（mol·L－1） 0.4 0.8 0

變化濃度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

起始濃度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

03 min內用CH3OH表示的反應速率v（CH3OH）=0.2mol·L－1/3min=1/15mol L-1·min-1。④ 200℃時，200℃時平衡常數K=c(CH3OH)/(c(CO)×c2(H2))=0.2/(0.2×0．42)=6.25；向上述200℃達到平衡的恒容密閉容器中再加入2mol CO、2mol H2、2mol CH3OH，此時各物質的濃度為c（CO）=0.4mol·L－1，c（H2）=0.6mol·L－1，c（CH3OH）=0.4mol·L－1，保持溫度不變，則此時Qc=c(CH3OH)/[c(CO)×c2(H2)]=0.4/(0.4×0．62)=2.78＜6.25=K，則此時平衡應向正方向移動；（3）甲烷、氧氣和KOH溶液可組成燃料電池,CH4完全氧化后的產物為K2CO3，1mol甲烷完全燃燒轉移電子的物質的量為[4－（-4）]mol=8mol。測得電路中轉移1.2 mol電子,可知參加反應的甲烷為1.2mol/8mol ×1mol=0.15mol，標準狀況下通入5.6 L甲烷的物質的量為5.6L/22.4L·mol－1=0.25mol，甲烷的利用率為0.15mol/0.25mol ×100%=60%。