Question

【題目】蘊(yùn)藏在海底的大量“可燃冰”，其開(kāi)發(fā)利用是當(dāng)前解決能源危機(jī)的重要課題。用甲烷制水煤氣(CO、H2)，再合成甲醇可以代替日益供應(yīng)緊張的燃油。下面是產(chǎn)生水煤氣的幾種方法：

①CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206.2kJ·mol-1

②CH4(g)+O2(g)=CO(g)+2H2(g) ΔH2=-35.4kJ·mol-1

③CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g) ΔH3=+165.0kJ·mol-1

（1）CH4(g)與CO2(g)反應(yīng)生成CO(g)和H2(g)的熱化學(xué)方程式為__。

（2）從原料、能源利用的角度，分析以上三個(gè)反應(yīng)，作為合成甲醇更適宜的是反應(yīng)__(填序號(hào))。

（3）也可將CH4設(shè)計(jì)成燃料電池，來(lái)解決能源問(wèn)題，如圖裝置所示。持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷VL。

①0<V≤33.6L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)式為__。

②33.6L<V≤67.2L時(shí)，電池總反應(yīng)方程式為__。

③V=44.8L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為__。

（4）工業(yè)合成氨時(shí)，合成塔中每產(chǎn)生1molNH3，放出46.1kJ的熱量。某小組研究在上述溫度下該反應(yīng)過(guò)程中的能量變化。他們分別在體積均為VL的兩個(gè)恒溫恒容密閉容器中加入一定量的反應(yīng)物，使其在相同溫度下發(fā)生反應(yīng)。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器編號(hào)	起始時(shí)各物質(zhì)物質(zhì)的量/mol			達(dá)到平衡的時(shí)間/min	達(dá)到平衡時(shí)體系能量的變化/kJ
	N2	H2	NH3
Ⅰ	1	4	0	t1	放出熱量：36.88
Ⅱ	2	8	0	t2	放出熱量：Q

①容器Ⅰ中，0～t1時(shí)間的平均反應(yīng)速率v(H2)=__。

②下列敘述正確的是__(填字母)。

a.平衡時(shí)，兩容器中H2的體積分?jǐn)?shù)相等

b.容器Ⅱ中反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，Q>73.76

c.反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，兩容器中反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率相等

d.平衡時(shí)，容器中N2的轉(zhuǎn)化率：Ⅰ<Ⅱ

e.兩容器達(dá)到平衡時(shí)所用時(shí)間：t1>t2

（5）如圖是在反應(yīng)器中將N2和H2按物質(zhì)的量之比為1∶3充入后，在200℃、400℃、600℃下，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，混合物中NH3的體積分?jǐn)?shù)隨壓強(qiáng)的變化曲線。

①曲線a對(duì)應(yīng)的溫度是__。

②圖中M、N、Q點(diǎn)平衡常數(shù)K的大小關(guān)系是__。

③M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的H2轉(zhuǎn)化率是__。

Answer 1

【答案】CH4(g)＋CO2(g)=2CO(g)＋2H2(g) ΔH=＋247.4kJ·mol-1 ② CH4－8e-＋10OH-=CO32-＋7H2O CH4＋2O2＋Na2CO3=2NaHCO3＋H2O c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+) mol·L-1·min-1 bde 200℃ KQ=KM>KN 75%

【解析】

(1)由蓋斯定律計(jì)算；

(2)從原料和能量角度進(jìn)行分析；

(3)由于燃料電池中電解液(氫氧化鈉溶液)中n(NaOH)＝3 mol，因此燃料電池放電時(shí)，當(dāng)負(fù)極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷體積不同時(shí)，負(fù)極反應(yīng)式不同，由消耗甲烷體積推斷發(fā)生的反應(yīng)和生成物，據(jù)此進(jìn)行分析；

(4)①由題意知產(chǎn)生1 mol NH3，放出46.1 kJ的熱量，結(jié)合容器Ⅰ中放出的熱量可得其中反應(yīng)生成的氨氣的物質(zhì)的量，求出用氨氣表示的反應(yīng)速率，由反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系知，相同時(shí)間內(nèi)用氫氣表示的反應(yīng)速率是氨氣的1.5倍，可得用氫氣表示的反應(yīng)速率v(H2)；

②a．根據(jù)等效平衡的思想，判斷平衡移動(dòng)的方向；

b．根據(jù)等效平衡的思想，判斷平衡移動(dòng)的方向，進(jìn)而判斷容器Ⅱ中Q范圍；

c．由于兩容器初始時(shí)反應(yīng)物濃度不等，故化學(xué)反應(yīng)速率不等；

d．根據(jù)等效平衡的思想，判斷平衡移動(dòng)的方向，進(jìn)行分析；

e．容器Ⅱ相當(dāng)于在容器Ⅰ的基礎(chǔ)上加壓，其反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率快；

(5)①合成氨反應(yīng)是體積減小的放熱反應(yīng)，因此溫度高反應(yīng)速率快，但達(dá)到平衡時(shí)氨的含量低，增加壓強(qiáng)達(dá)到平衡時(shí)氨的含量變大，因此在坐標(biāo)圖中向橫坐標(biāo)作垂線交于3個(gè)曲線，根據(jù)同壓下不同溫度時(shí)平衡時(shí)氨的含量，可以判斷曲線的溫度高低；合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，越不利于反應(yīng)的進(jìn)行，曲線a的NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最高，其反應(yīng)溫度應(yīng)相對(duì)最低；

②Q、M點(diǎn)的溫度相等(均為400 ℃)，平衡常數(shù)相等，N點(diǎn)在溫度為600 ℃的曲線上，合成氨是放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小；

③在M點(diǎn)NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為60%，又按n(N2)：n(H2)＝1：3投料，設(shè)氫氣的轉(zhuǎn)化率為x，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

(1)由蓋斯定律，將反應(yīng)①×2－③得：CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247.4 kJ·mol－1；

(2)題給3個(gè)反應(yīng)生產(chǎn)水煤氣，從原料角度看都易得，但從能量角度看，反應(yīng)①和③是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)②是放熱反應(yīng)，所以反應(yīng)②比較適合應(yīng)用于生產(chǎn)；

(3)由于燃料電池中電解液(氫氧化鈉溶液)中n(NaOH)＝3 mol，因此燃料電池放電時(shí)，當(dāng)負(fù)極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷0<V≤33.6 L時(shí)，即生成n(CO2)≤1.5 mol，生成碳酸鈉，負(fù)極反應(yīng)式為CH4－8e－＋10OH－=CO＋7H2O；當(dāng)消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下甲烷33.6 L<V≤67.2 L時(shí)，生成物Na2CO3轉(zhuǎn)化為NaHCO3，總電池反應(yīng)式可寫(xiě)為CH4＋2O2＋Na2CO3=2NaHCO3＋H2O；V＝44.8 L時(shí)，溶液中電解質(zhì)為物質(zhì)的量相等的碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液，水解顯堿性，但由于碳酸鈉水解程度大于碳酸氫鈉，因此溶液中離子濃度關(guān)系為c(Na＋)>c(HCO)>c(CO)>c(OH－)>c(H＋)；

(4)①由題意知產(chǎn)生1 mol NH3，放出46.1 kJ的熱量，結(jié)合容器Ⅰ中放出的熱量可得，其中反應(yīng)生成的氨氣的物質(zhì)的量為＝0.8 mol，則用氨氣表示的反應(yīng)速率為mol·L－1·min－1，由反應(yīng)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系知，相同時(shí)間內(nèi)用氫氣表示的反應(yīng)速率是氨氣的1.5倍，則用氫氣表示的反應(yīng)速率v(H2)＝mol·L－1·min－1；

②a．由于容器Ⅰ和Ⅱ容積相等，但初始加入的反應(yīng)物的量后者是前者的2倍，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，而合成氨反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向右移動(dòng)，因此，平衡時(shí)容器Ⅰ中氫氣的體積分?jǐn)?shù)大于容器Ⅱ，a項(xiàng)錯(cuò)誤；

b．反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)容器Ⅱ中Q>2×36.88，b項(xiàng)正確；

c．由于兩容器初始時(shí)反應(yīng)物濃度不等，故化學(xué)反應(yīng)速率不等，c項(xiàng)錯(cuò)誤；

d．壓強(qiáng)大的容器Ⅱ中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率大，d項(xiàng)正確；

e．容器Ⅱ相當(dāng)于在容器Ⅰ的基礎(chǔ)上加壓，其反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率快，因此容器Ⅱ比容器Ⅰ先達(dá)到平衡狀態(tài)，e項(xiàng)正確；故答案選bde；

(5)①合成氨反應(yīng)是體積減小的放熱反應(yīng)，因此溫度高反應(yīng)速率快，但達(dá)到平衡時(shí)氨的含量低，增加壓強(qiáng)達(dá)到平衡時(shí)氨的含量變大，因此在坐標(biāo)圖中向橫坐標(biāo)作垂線交于3個(gè)曲線，根據(jù)同壓下不同溫度時(shí)平衡時(shí)氨的含量，可以判斷曲線的溫度高低；合成氨反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，越不利于反應(yīng)的進(jìn)行，曲線a的NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最高，其反應(yīng)溫度應(yīng)相對(duì)最低，由此可判斷曲線a對(duì)應(yīng)的溫度是200 ℃；

②Q、M點(diǎn)的溫度相等(均為400 ℃)，平衡常數(shù)相等，N點(diǎn)在溫度為600 ℃的曲線上，合成氨是放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，因此有：KQ＝KM>KN；

③在M點(diǎn)NH3的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為60%，又按n(N2)：n(H2)＝1：3投料，設(shè)氫氣的轉(zhuǎn)化率為x，則平衡時(shí)各物質(zhì)的量為n(N2)＝(1－x) mol，n(H2)＝3×(1－x) mol，n(NH3)＝2x mol，則有×100%＝60%，得x＝0.75，即H2的轉(zhuǎn)化率為75%。