Question

【題目】人口資源環境委員會副主任、中國科學院院士秦大河表示，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。

⑴已知:H2O(g)=H2O(I) △H=-44kJ/mol

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

①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氫鍵速率的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

⑵在催化劑作用下合成氣合成甲烷過程中會發生如下反應：

I CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol

II CO(g)+H2O(g) = CO2(g)+H2(g) △H2= -41 kJ/mol

Ⅲ 2CO(g)+2H2(g)= CH4(g)+CO2(g) △H 3= -247.4 kJ/mol

①圖1是太原理工大學煤化工研究所利用熱力學數據分析得到溫度對反應ⅠInK(化學平衡常數K的自然對數)的曲線圖,請分析出現這樣趨勢的原因是____________。

②提高甲烷反應選擇性的關鍵因素是_______，根據相關知識和圖2分析合成甲烷適宜的反應條件是在550～630K，1MPa的原因是__________________。

③850℃時在體積為5L反應器中發生反應Ⅱ，CO和H2O(g)濃度變化如圖所示，請列式計算此條件下的平衡常數_____________ 。

(3)CH4燃料電池利用率很高，裝置中添加1L2mol/L的KOH溶液為電解質，持續緩慢通入標準狀況下甲烷22.4L～33.6 L時負極電極反應為___________。

Answer 1

【答案】 ⑴① C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol ② abef

⑵①在其他條件不變時,溫度升高反應I向吸熱的逆反應方向移動使InK減小②催化劑 此條件下反應速率較快而且甲烷產率較高 ③K= = =1

⑶CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-

【解析】⑴①已知：①H2O(g)=H2O(I) △H1= -44kJ/mol ②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H2= -285.8kJ/mol ③C(s)+O2(g)=CO2 △H3= -393.5 kJ/mol ④CO(g)O2(g)=CO2 △H4= -283.0 kJ/mol；根據蓋斯定律③+①-②-④可得C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ，△H=③+①-②-④=( -393.5 kJ/mol)+(-44kJ/mol)-(-285.8kJ/mol)-(-283.0 kJ/mol)=+131.31kJ/mol，即煤的氣化反應生成合成氣(CO和H2)的熱化學方程式為C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol：

②已知C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) 反應物中有一種是固體，生成物方向是體積增大的方向；a.氣體的總質量和氣體總物質的量是不確定值，當混合氣體平均相對分子質量不再改變時是平衡狀態，故a正確；b.反應混合氣體的總物質的量是不確定的值，當氣體壓強不再改變時，說明氣體總物質的量不再改變，是平衡狀態，故b正確；c.各氣體濃度相等時不一定是平衡狀態，故c錯誤；d.恒溫容器，溫度保持不變，體系不一定達到平衡，故d錯誤；e.斷裂氫氧鍵速率是斷裂氫氫鍵速率的2倍，說明達到平衡狀態，故e正確；f.混合氣體密度不變，說明氣體的總質量不再隨時間的變化而變化，是平衡狀態，故f正確；g.單位時間內，消耗水的質量與生成氫氣的質量比為9：1，均為正反應速率，無法判斷是平衡狀態，故g錯誤；答案為abef；

⑵①CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol此反應正方向是放熱反應，在其它條件不變的情況下，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數減少，InK也減小；

②催化劑只改變反應速率，不影響平衡的移動，是提高甲烷反應選擇性的關鍵因素，根據相關知識和圖2分析在在550～630K和1Mpa的條件下反應速率較快而且甲烷產率較高是合成甲烷適宜的反應條件；

③ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始濃度（mol/L） 0.20 0.30 0 0

變化濃度（mol/L） 0.12 0.12 0.12 0.12

平衡濃度（mol/L） 0.08 0.18 0.12 0.12

50℃時條件下的平衡常數K= = =1；

(3)n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，該裝置是燃料電池，負極上甲烷失電子發生氧化反應，正極上氧氣得電子發生還原反應，22.4L＜V≤33.6L時，根據原子守恒得1mol＜n（CO2）≤1.5mol，反應生成碳酸氫鉀，負極反應式為CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-。