Question

人口资源环境委员会副主任、中国科学院院士秦大河表示，当前情况下散烧煤和没有清洁的煤是造成中国城市雾霾或者东部雾霾的主要原因。煤的气化是解决雾霾，清洁地利用煤炭的重要途径之一。

⑴已知:H₂O(g)=H₂O(I)   △H=-44kJ/mol

物质	H2(g)	C(s)	CO(g)
燃烧热kJ/mol	-285.8	-393.5	-283.0

①请写出煤的气化反应生成合成气(CO和H₂)的热化学方程式___________。

②在恒温、恒容的反应器中，能表明上述反应达到平衡状态的是_______。

a.混合气体平均相对分子质量不再改变   

b.气体压强不再改变

c.各气体浓度相等          

d.反应体系中温度保持不变

e.断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍     

f.混合气体密度不变

g.单位时间内，消耗水的质量与生成氢气的质量比为9：1

⑵在催化剂作用下合成气合成甲烷过程中会发生如下反应：

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图1是太原理工大学煤化工研究所利用热力学数据分析得到温度对反应ⅠInK(化学平衡常数K的自然对数)的曲线图,请分析出现这样趋势的原因是____________。

②提高甲烷反应选择性的关键因素是_______，根据相关知识和图2分析合成甲烷适宜的反应条件是

在550～630K，1MPa的原因是__________________。

③850℃时在体积为5L反应器中发生反应Ⅱ，CO和H₂O(g)浓度变化如图所示，请列式计算此条件下的平衡常数_____________ 。

(3)CH₄燃料电池利用率很高，装置中添加1L2mol/L的KOH溶液为电解质，持续缓慢通入标准状况下甲烷22.4L～33.6 L时负极电极反应为___________。

Answer

C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol abef 在其他条件不变时,温度升高反应I向吸热的逆反应方向移动使InK减小 催化剂 此条件下反应速率较快而且甲烷产率较高 K= = =1 CH4-8e-+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；根据盖斯定律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，即煤的气化反应生成合成气(CO和H2)的热化学方程式为C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+131.31kJ/mol：

②已知C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) 反应物中有一种是固体，生成物方向是体积增大的方向；a.气体的总质量和气体总物质的量是不确定值，当混合气体平均相对分子质量不再改变时是平衡状态，故a正确；b.反应混合气体的总物质的量是不确定的值，当气体压强不再改变时，说明气体总物质的量不再改变，是平衡状态，故b正确；c.各气体浓度相等时不一定是平衡状态，故c错误；d.恒温容器，温度保持不变，体系不一定达到平衡，故d错误；e.断裂氢氧键速率是断裂氢氢键速率的2倍，说明达到平衡状态，故e正确；f.混合气体密度不变，说明气体的总质量不再随时间的变化而变化，是平衡状态，故f正确；g.单位时间内，消耗水的质量与生成氢气的质量比为9：1，均为正反应速率，无法判断是平衡状态，故g错误；答案为abef；

⑵①CO(g)+3H2(g) = CH4(g)+H2O(g) △H1= -206 kJ/mol此反应正方向是放热反应，在其它条件不变的情况下，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减少，InK也减小；

②催化剂只改变反应速率，不影响平衡的移动，是提高甲烷反应选择性的关键因素，根据相关知识和图2分析在在550～630K和1MPa的条件下反应速率较快而且甲烷产率较高是合成甲烷适宜的反应条件；

③ CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始浓度（mol/L） 0.20 0.30 0 0

变化浓度（mol/L） 0.12 0.12 0.12 0.12

平衡浓度（mol/L） 0.08 0.18 0.12 0.12

50℃时条件下的平衡常数K= = =1；

(3)n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，22.4L＜V≤33.6L时，根据原子守恒得1mol＜n（CO2）≤1.5mol，反应生成碳酸氢钾，负极反应式为CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-。