Question

页岩气是从页岩层中开采的一种非常重要的天然气资源,页岩气的主要成分是甲烷,是公认的洁净能源。

（1）页岩气不仅能用作燃料,还可用于生产合成气(CO和H₂)。CH₄与H₂O(g)通入聚焦太阳能反应器,发生反应CH₄(g)+H₂O(g) = CO(g)+3H₂(g)　ΔH₁。已知:CH₄、H₂、CO的燃烧热(ΔH)分别为-a kJ·mol^-1、-b kJ·mol^-1、-c kJ·mol^-1;H₂O(l)=H₂O(g)　ΔH=+d kJ·mol^-1。

则ΔH₁=______________(用含字母a、b、c、d的代数式表示)kJ·mol^-1。 

（2）用合成气生成甲醇的反应为CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)　ΔH₂,在10 L恒容密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H₂,测得CO的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示:

200 ℃时n(H₂)随时间的变化如下表所示:

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

①ΔH₂____(填“>”“<”或“=”)0。 

②写出两条可同时提高反应速率和CO转化率的措施:_____。 

③下列说法正确的是____(填字母)。 

a.温度越高,该反应的平衡常数越大

b.达平衡后再充入稀有气体,CO的转化率提高

c.容器内气体压强不再变化时,反应达到最大限度

d.图中压强:p₁<p₂

④0~3 min内用CH₃OH表示的反应速率v(CH₃OH)=____mol·L^-1·min^-1。 

⑤200 ℃时,该反应的平衡常数K=____。向上述200 ℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2 mol CO、4 mol H₂、2 mol CH₃OH,保持温度不变,则化学平衡____(填“正向”“逆向”或“不”)移动。 

（3）甲烷、氧气和KOH溶液可组成燃料电池。标准状况下充入5.6 L甲烷,测得电路中转移1.2 mol电子,则甲烷的利用率为____。

Answer

-a+3b+c-d < 增大H2浓度或增大压强 cd (或0.067) 6.25 正向 60%

【解析】（1）已知：①CH4（g）+2O2=CO2（g）+2H2O（l）△H=﹣a kJ•mol﹣1、②H2（g）+O2（g）=H2O（l）△H=﹣b kJ•mol﹣1、③CO（g）+O2（g）=CO2（g）△H=﹣c kJ•mol﹣1；④H2O （l）=H2O（g）△H=+dkJ•mol﹣1，由盖斯定律可知，②×3+③﹣①﹣④可得CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g），则△H1=(﹣a+3b+c﹣d)kJ•mol﹣1。

（2）①由图示可知在恒压条件下，随着温度的升高CO的转化率降低，说明升高温度平衡逆向移动，即正反应为放热反应，△H2＜0。 

②增大反应速率的主要措施有：温度升高、压强增大、增大浓度及使用催化剂，当平衡正向移动时，反应物的转化率可能增大，由于该反应为放热反应，且催化剂不影响化学平衡的移动方向，所以，可以同时提高反应速率和CO转化率的措施有增大H2浓度、增大压强。

 ③a．反应CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）正方向为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，a不正确；b．达平衡后再充入稀有气体，压强增大，但平衡不移动，CO的转化率不变，b不正确；c．反应CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）在进行的过程中，达到平衡前气体总物质的量在不断变化，当容器内气体压强不再变化时，说明混合气体的总物质的量不再改变，反应达到平衡，即反应达到最大限度，c正确；d．由图示可知，在恒温恒容的条件下，增大压强，平衡向正方向移动，CO的转化率增大，即图中压强p1＜p2，d正确。综上所述，说法正确的是cd；

④由表中数据可知，3min后该反应达到平衡状态。

CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）△

起始浓度（mol/L） 0.4 0.8 0

变化浓度（mol/L） 0.2 0.4 0.2

起始浓度（mol/L） 0.2 0.4 0.2

0〜3min内，用CH3OH表示的反应速率v（CH3OH）==mol•L﹣1•min﹣1。

⑤由④计算的平衡状态可知，200℃时平衡常数K===6.25；向上述200℃达到平衡的恒容密闭容器中再加入2mol CO、2mol H2、2mol CH3OH，此时各物质的浓度为c（CO）=0.4mol/L，c（H2）=0.6mol/L，c（CH3OH）=0.4mol/L，保持温度不变，则化学平衡不变，此时Qc===2.78＜6.25=K，则此时平衡应向正反应方向移动。

（3）甲烷、氧气和KOH溶液可组成燃料电池，由于CH4完全氧化后的产物为K2CO3，所以，1mol甲烷完全反应可转移电子的物质的量为8mol．实际测得电路中转移1.2mol电子，可知参加反应的甲烷为=0.15mol。在标准状况下，5.6L甲烷的物质的量为=0.25mol，甲烷的利用率为=60%。