Question

天然气是一种重要的化工原料，可用来生产氢气和甲醇等高附加值化学品。回答下列问题：

（1）以天然气为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法。

已知：

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

②CH₄(g)+CO₂(g) =2CO(g)+2H₂(g)       ΔH₂＝b kJ·mol^-1

③CH₄(g)+2H₂O(g)=CO₂(g)+4H₂(g)  ΔH₃

请计算上述反应中的反应热ΔH₃=_________（用a、b表示）kJ·mol^-1。

（2）合成甲醇的反应原理为：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)   在1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3 mol H₂，在500℃下发生反应，测得CO₂(g)和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如图所示。

①反应进行到4 min 时，v(正)____ （填“>”“<”或“=”）v(逆)。0~4 min，CO₂的平均反应速率v(CO₂)=____________mol·L^-1·min^-1。

②CO₂的平衡转化率为_______________，该温度下平衡常数为_____________。

③下列能说明该反应已达到平衡状态的是______________。

a.v_正(CH₃OH)=3v_逆(H₂)

b.CO₂、H₂、CH₃OH和H₂O浓度之比为1: 3 :1: 1

C.恒温恒压下，气体的体积不再变化

d.恒温恒容下，气体的密度不再变化

（3）在相同温度、相同容积的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下：

容器	容器1	容器2	容器3
反应物投入量	1mol CO2，3 mol H2	0.5mol CO2，1.5mol H2	1mol CH3OH，1mol H2O
CH3OH的平衡浓度/mol·L^-1	c1	c1	c3
平衡时体系压强/Pa	p1	p2	p3

则下列各量的大小关系为c₁_________（填“>”“<”或“=”，下同）c₃，p₂________p₃。

（4）为提高燃料的能量利用率，常将其设计为燃料电池。某电池以甲烷为燃料，空气为氧化剂，熔融的K₂CO₃为电解质，以具有催化作用和导电性能的稀土金属为电极。写出该燃料电池的负极反应式：__________________________；为使电解质的组成保持稳定，使该燃料电池长时间稳定运行，在通入的空气中必须加入________________（填化学式）。

Answer

2a-b > 0.125 75% 5.33或 c = < CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O CO2

【解析】（1）根据盖斯定律可得③=①-②，所以ΔH3=2ΔH1-ΔH2=（2a-b）kJ·mol-1，答案为：2a-b

（2）①反应进行到4 min 时CH3OH和CO2的浓度相等，但反应未达到平衡状态，还在向正反应方向进行，因此v(正) >v(逆)；0~4 min时，v(CO2)==0.125 mol·L-1·min-1

②根据图像可知CO2的平衡转化率＝ ×100%＝75%，该温度下平衡常数为K=== mol-2·L2或5.33 mol-2·L2

③a.反应速率之比等于化学方程式计量数之比，因此3v正(CH3OH)=v正(H2)，所以v正(CH3OH)=3v逆(H2)不能说明CH3OH正逆反应速率相同，a错误；b.平衡时反应混合物中各组分的含量保持不变，但容器内CO2、H2、CH3OH和H2O的浓度之比不一定为1: 3 :1: 1，所以不能作为平衡的标志，b错误；C.该反应是气体分子数变化的反应，恒温恒压下，气体的体积不再变化，可以作为平衡的标志，c正确；d. 反应前后气体的质量不变，容器的体积不变，所以密度始终保持不变，因此混合气体的密度保持不变不能作为平衡的标志，d错误；答案为：①0.125②75% 、5.33或③c

（3）根据方程式并采用一边倒的方法可知，1molCH3OH、1molH2O完全转化为反应物就是1molCO2、3molH2，因此容器1和容器3是等效平衡，所以平衡时甲醇的浓度c1等于c3；容器2相当于在容器1的基础上减小压强，平衡向逆反应方向移动，则平衡时p2小于p3答案为： = 、<

（4）甲烷燃料电池以甲烷为燃料，以空气为氧化剂，以熔融的K2CO3为电解质，电池负极反应为：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O，正极反应为O2+4e-+2CO2=2CO32-，总反应为CH4+2O2=CO2+2H2O，由于通入空气的一极是电源的正极，正极上消耗二氧化碳，为使电解质的组成保持稳定，使该燃料电池长时间稳定运行，在通入的空气中必须加入CO2。答案为：CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O 、CO2