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10．氫氣作為高效、潔凈的二次能源，將成為未來社會的主要能源之一．甲烷重整是一種被廣泛使用的制氫工藝．
Ⅰ．甲烷水蒸氣重整制氫氣的主要原理：
CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJ•mol-1…①
CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H2=-41kJ•mol-1…②
（1）反應①的平衡常數的表達式K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）有研究小組通過應用軟件AsepnPlus實現(xiàn)了對甲烷水蒸氣重整制氫系統(tǒng)的模擬，研究了控制水反應水碳比，在不同溫度下反應器RI中操作壓力變化對氫氣產率的影響，其數據結果如圖1所示：

①請根據圖象，闡述在一定壓力條件下溫度與氫氣產率的關系，并說明原因升高溫度，主要反應是吸熱反應，平衡向吸熱的正反應方向移動，氫氣的產率提高；
②在實際工業(yè)生產中，操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間，其主要原因是反應在低壓下，有利氫氣的產率提高，但反應速率慢，效益低，壓強大，對設備材料強度要求高．
Ⅱ．甲烷二氧化碳重整
（3）近年來有科學家提出高溫下利用CO2對甲烷蒸汽進行重整，既可以制氫也可以減少CO2排放緩解溫室效應，其主要原理為CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g），該反應的△H=+247kJ•mol-1．經研究發(fā)現(xiàn)該工藝與Ⅰ相比，主要問題在于反應過程中更容易形成積碳而造成催化劑失活，請用化學方程式表示形成積碳的原因CH4$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$C+2H2．
Ⅲ．甲烷水蒸氣重整的應用
（4）甲烷水蒸氣重整的一個重要應用是將甲烷水蒸氣重整后的合成氣作為熔融碳酸鹽燃料電池的原料，其工作原理如圖2：
①寫出該電池的負極反應方程式H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2；
②該電池中可循環(huán)利用的物質有CO2、H2O；
③若該燃料電池的能量轉化效率為70%，則當1g甲烷蒸汽通入電池時，理論上外電路可以產生33712C（庫侖）的電量．（電子電量為1.6×10-19C）

分析 Ⅰ．（1）化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值；
（2）①依據勒夏特列原理分析；
②根據可逆CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJ•mol-1…①、CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H2=-41kJ•mol-1…②進行分析，應在低壓反應有利氫氣的產率提高，但反應速率慢，效益低，壓強大，對設備強度要求高，故選擇操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間為宜；
Ⅱ．（3）根據蓋斯定律：反應①-反應②可以得到反應CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g）△H，在高溫下，甲烷易分解成碳；
Ⅲ．（4）①負極上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水；
②負極反應式為CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，根據圖知，二氧化碳有使電池穩(wěn)定運行，電池的電解質組成應保持恒定作用，該電池中可循環(huán)利用的物質有
③根據電極反應式結合電子轉移情況計算．

解答 解：Ⅰ．（1）化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，則化學平衡常數為K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案為：K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）①升高溫度，主要反應是吸熱反應，平衡向吸熱的正反應方向移動，氫氣的產率提高；
故答案為：升高溫度，主要反應是吸熱反應，平衡向吸熱的正反應方向移動，氫氣的產率提高；
②反應在低壓下，有利氫氣的產率提高，但反應速率慢，效益低，壓強大，對設備材料強度要求高，故選擇操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間為宜；
故答案為：反應在低壓下，有利氫氣的產率提高，但反應速率慢，效益低，壓強大，對設備材料強度要求高；
Ⅱ．（3）根據蓋斯定律，反應CO2（g）+CH4（g）?2CO（g）+2H2（g）△H=41KJ•mol-1+206KJ•mol-1=+247KJ•mol-1，在高溫下，甲烷易分解成碳，
故答案為：+247•mol-1；CH4$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$C+2H2；
Ⅲ．（4）①負極上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，電極A反應為：H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2，
故答案為：H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2；
②負極反應式為CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，根據圖知，二氧化碳有使電池穩(wěn)定運行，電池的電解質組成應保持恒定作用，該電池中可循環(huán)利用的物質有CO2、H2O，
故答案為：CO2、H2O．
③當1g甲烷蒸汽通入電池時，根據電極反應：CH4+4CO32--8e-=2H2O+5CO2，理論上通過導線的電子的數目為$\frac{1g}{16g/mol}$×8×6.02×1023×70%×1.6×10-19C=33712C，故答案為：33712．

點評 本題考查了化學平衡常數表達式書寫、化學平衡的移動，化學電源新型電池，明確原電池中物質得失電子、電子流向、離子流向即可解答，難點是電極反應式書寫，要根據電解質確定正負極產物，難度中等題目難度

練習冊系列答案
相關習題

科目：高中化學 來源： 題型：選擇題

4．研究化學反應常用188O作為示蹤原子，該原子的質量數是（　�。�
A．18B．8C．10D．16

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科目：高中化學 來源： 題型：解答題

1．甲醇是結構最為簡單的飽和一元醇，又稱“木醇”或“木精”．甲醇是一碳化學基礎的原料和優(yōu)質的燃料，主要應用于精細化工、塑料、能源等領域．
已知甲醇制備的有關化學反應如下
反應①：CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H1=-90.77kJ•mol-1
反應②：CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H2
反應③：CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H3=-49.58kJ•mol-1
（1）反應②的△H2=+41.19kJ•mol-1．
（2）若500℃時三個反應的平衡常數依次為K1、K2與K3，則K3=K1•K2（用K1、K2表示）．已知500℃時K1、K2的值分別為2.5、1.0，并測得該溫度下反應③在某時刻，H2（g）、CO2（g）、CH3OH（g）、H2O （g）的濃度（mol/L）分別為0.8、0.1、0.3、0.15，則此時 V正＞ V逆（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）在3L容積可變的密閉容器中發(fā)生反應②，c（CO）隨反應時間t變化如圖中曲線Ⅰ所示．若在t0時刻分別改變一個條件，曲線Ⅰ變?yōu)榍�Ⅱ和曲線Ⅲ．當曲線Ⅰ變?yōu)榍�Ⅱ時，改變的條件是加入催化劑．當通過改變壓強使曲線Ⅰ變?yōu)榍�Ⅲ時，曲線Ⅲ達到平衡時容器的體積為2L．


（4）甲醇燃料電池可能成為未來便攜電子產品應用的主流．某種甲醇燃料電池工作原理如圖所示，則通入a氣體的電極電極反應式為CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+．

（5）一定條件下甲醇與一氧化碳反應可以合成乙酸．常溫條件下，將a mol/L的CH3COOH與b mol/LBa（OH）2溶液等體積混合，反應平衡時，2c（Ba2+）=c（CH3COO-），用含a和b的代數式表示該混合溶液中醋酸的電離常數為$\frac{2b}{a-2b}$×10-7L/mol．

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科目：高中化學 來源： 題型：解答題

18．氮氧化物是大氣污染物之一，可形成光化學煙霧、酸雨等．

（1）在一密閉容器中發(fā)生反應2NO2（g）?2NO（g）+O2（g），反應過程中NO2濃度隨時間的變化情況如圖所示．請回答：
①依曲線A，反應在前3min內氧氣的平均反應速率為0.0175mol/（L．min）．
②若曲線A、B分別表示的是該反應在某不同條件下的反應情況，則此條件是溫度（填“濃度”、“壓強”、“溫度”或“催化劑”）．
③曲線A、B分別對應的反應平衡常數的大小關系是KA＜KB（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）一定溫度下，某密閉容器中N2O5可發(fā)生下列反應：
2N2O5（g）?4NO2（g）+O2（g）  I
2NO2（g）?2NO（g）+O2（g）Ⅱ
則反應I的平衡常數表達式為K=$\frac{{c}^{4}（N{O}_{2}）．c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{N}_{2}{O}_{5}）}$，若達平衡時，c（ NO2）=0.4mol•L-1，c（O2）=1.3mol•L-1，則反應Ⅱ中NO2的轉化率為$\frac{6}{7}$，N2O5（g）的起始濃度應不低于1.4mol•L-1．
（3）將a mL NO、b mL NO2、x mLO2混合于同一試管里，將試管口倒插入水中，充分反應后
試管內氣體可全部消失，則用a、b表示的x為a
a.$\frac{（a+b）}{2}$ b.$\frac{（2a+b）}{3}$ c.$\frac{（3a+b）}{4}$ d.$\frac{（4a+b）}{5}$
（4）用甲烷在一定條件下可消除氮氧化物的污染，寫出CH4消除NO2的反應方程式2NO2+CH4═N2+CO2+2H2O．

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科目：高中化學 來源： 題型：解答題

5．銅、硫的單質及其化合物在生產、生活中應用廣泛，輝銅礦（主要成分是Cu2S）是冶煉銅和制硫酸的重要原料．
（1）已知：①2Cu2S（s）+3O2（g）=2Cu2O（s）+2SO2（g）△H=-768.2kJ•mol-1
②2Cu2O（s）+Cu2S（s）=6Cu（s）+SO2（g）△H=+116.0kJ•mol-1
則Cu2S（s）+O2（g）=2Cu（s）+SO2（g）△H=-217.4kJ/mol．
（2）已知25℃時，KSP（BaSO4）=1.1×1010，向僅含0.1mol•L-1 Ba（OH）2的廢液中加入等體積0.12mol•L-1硫酸，充分攪拌后過濾，濾液中c（Ba2+）=1.1×10-8 mol/L
（3）上述冶煉過程中會產生大量的SO2，回收處理SO2，不僅能防止環(huán)境污染，而且能變害為寶，回收處理的方法之一是先將SO2轉化為SO3，然后再轉化為H2SO4．
①450℃時，某恒容密閉容器中存在反應：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）△H＜0，下列事實能表明該反應達到平衡的是D．
A．容器內氣體密度不變 
B．O2、SO2的消耗速率之比為1：2 
C．n（SO2）：n（O2）：n（SO3）=2：1：2 
D．容器內壓強不再發(fā)生變化
②450℃、0.1MPa下，將2.0molSO2和1.0molO2置于5L密閉容器中開始反應，保持溫度和容器體積不變，SO2的轉化率（α）隨著時間（t）的變化如圖1所示，則該溫度下反應的平衡常數K=4050．若維持其他條件不變，使反應開始時的溫度升高到500℃，請在圖1中畫出反應開始到平衡時SO2轉化率的變化圖象．
（4）已知CuCl2溶液中，銅元素的存在形式與c（Cl-）的相對大小有關，具體情況如圖2所示（分布分數是指平衡體系中含銅微粒物質的量占銅元素總物質的量的百分比）
 ①若溶液中含銅微粒的總濃度為amol•L-1，則X點對應的c（CuCl+）=0.56amol/L（用含a的代數式表示）．
②向c（Cl-）=1mol•L-1的氯化銅溶液中滴入少量AgNO3溶液，則濃度最大的含銅微粒發(fā)生反應的離子方程式為CuCl++Ag+=AgCl↓+Cu2+．

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科目：高中化學 來源： 題型：解答題

15．使用SNCR脫硝技術的主反應為：4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）$\stackrel{催化劑}{?}$ 4N2（g）+6H2O（g）△H副反應及773K時平衡常數如表所示：
反應△H（kJ•mol-1）平衡常數（K）
4NH3 （g）+5O2 （g）?4NO （g）+6H2O （g）-905.51.1×1026mol•L-1
4NH3 （g）+4O2 （g）?2N2O （g）+6H2O （g）-1104.94.4×1028
4NH3 （g）+3O2 （g）?2N2 （g）+6H2O （g）-1269.07.1×1034L•mol-1
（1）主反應△H=-1632.5kJ•mol-1，773K時主反應平衡常數K=4.6×1043L•mol-1．
（2）圖1表示在密閉體系中進行實驗，測定不同溫度下，在相同時間內各組分的濃度．

①圖中a、b、c三點，主反應速率最大的是c．
②試解釋N2濃度曲線先上升后下降的原因先上升：反應還未到達平衡狀態(tài)，溫度越高，化學反應速率越快，單位時間內N2濃 度越大；后下降：達到平衡狀態(tài)后，隨著溫度升高，因反應正向放熱，平衡逆向移動，且隨溫度升高有副產物的生成，N2濃度降低．
③550K時，欲提高N2O的百分含量，應采取的措施是采用合適的催化劑．
（3）為探究碳基催化劑中Fe、Mn、Ni等元素的回收，將該催化劑溶解后得到含有Fe2+、Mn2+、Ni2+的溶液，物質的量濃度均為10-3mol•L-1．欲完全沉淀Fe2+、Mn2+（離子濃度低于1.0×10-6），應控制CO32-的物質的量濃度范圍為（3.0×10-5，1.0×10-4 ）．
沉淀物Ksp
FeCO33.0×10-11
MnCO32.0×10-11
NiCO31.0×10-7
（4）電化學催化凈化NO是一種最新脫硝方法．原理示意圖如圖2，固體電解質起到傳導O2-的作用．
a為外接電源的負極（填“正”、“負”）．通入NO的電極反應式為2NO+4e-=N2+2O2-．

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科目：高中化學 來源： 題型：實驗題

2．甲醇是重要的化工原料，又可稱為燃料．工業(yè)上利用合成氣（主要成分為CO、CO2和H2）在催化劑的作用下合成甲醇，發(fā)生的主要反應如下：
①CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H
②CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H2=-58kJ•mol-1
③CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H3=+41kJ•mol-1
回答下列問題：
（1）已知反應①中的相關的化學鍵鍵能數據如下：
 化學鍵 H═H C═O C≡O H-O C-H
 F/（kJ•mol-1） 435 343 1076 465 X
則x=413；
（2）若T℃時將6molCO2和8molH2充入2L密閉容器中發(fā)生反應②，測得H2的物質的量隨時間變化關系如圖中狀態(tài)I（圖中實線）所示．圖中數據A（1，6）代表在1min時H2的物質的量是6mol．
①T℃時狀態(tài)I條件下，0～3min內CH3OH的平均反應速率v=0.28mol/（L•min），平衡常數K=0.5；
②其他條件不變時，僅改變某一條件后測得H2的物質的量隨時間變化如圖中狀態(tài)Ⅱ所示，則改變的條件可能是增大壓強；
③其他條件不變，僅改變溫度時，測得H2的物質的量隨時間變化如圖中狀態(tài)Ⅲ所示，則狀態(tài)Ⅲ對應的溫度＞（填“＞”、“＜”或“=”）T℃；
④若狀態(tài)Ⅱ的平衡常數為K2，狀態(tài)Ⅲ的平衡常數為K3，則K2＞（填“＞”、“＜”或“=”）K3；
⑤一定溫度下同，此反應在恒容容器中進行，能判斷該反應達到化學平衡依據的是ac．
a．容器中壓強不變              b．甲醇和水蒸汽的體積比保持不變
c．v正（H2）=3v逆（CH3OH）      d．2個C═O斷裂的同時有6個H-H斷裂．

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科目：高中化學 來源： 題型：解答題

19．已知可逆反應：A（g）+B（g）?C（g）+D（g）△H＜0．請回答下列問題：
（1）在某溫度下，反應物的起始濃度分別為：c（A）=1mol•L-1，c（B）=2.4mol•L-1，達到 平衡時，A 的轉化率為 60%，此時 B 的轉化率為25%．
（2）若反應溫度降低，則 B 的轉化率將增大（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（3）若反應溫度不變，反應物的起始濃度分別為 c（A）=4mol•L-1，c（B）=a mol•L-1，達 到平衡后 c（C）=2mol•L-1，則 a=6．
（4）若反應溫度不變，反應物的起始濃度分別為 c（A）=c（B）=b   mol•L-1，達到平衡后c（D）=0.4b．（$\sqrt{2}$≈0.41保留兩位有效數字）

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科目：高中化學 來源： 題型：選擇題

20．下列敘述正確的是（　�。�
A．1 L水中溶解了40 g NaOH后，所得溶液濃度為1 mol/L
B．從1 L 2 mol/L的NaCl溶液中取出0.5 L，該溶液的濃度為1 mol/L
C．將2.24 L（標準狀況）HCl氣體溶于水制成100 mL溶液，其物質的量濃度為1 mol/L
D．配制1 L 0.2 mol/L的CuSO4溶液，需用32g膽礬

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