Question

氢气是一种清洁、高效新能源，也是重要的化工原料。

(1)工业上利用甲烷制备氢气的反应为:CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)

已知:

①H₂(g)+O₂(g)=H₂O(g) △H₁=-198kJ/mol

②2CO(g)+O₂(g)=2CO₂(g)      △H₂=-576kJ/mol

③CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)     △H₃=-846.3kJ/mol

则CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)     △H₄=________。

(2)工业上利用CO和H₂合成清洁能源CH₃OH,其反应为:CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)   △H=-116kJ/mo1

①如图表示CO的平衡转化率(α)随温度和压强变化的示意图。X表示的是_______，理由_________；Y₁_____Y₂ (填“<”、“=”、“>”)。

②在2L恒容密闭容器中充入2molCO和4molH₂，在一定条件下经过10min达到平衡状态c 点处。则在该条件下，从开始至达到平衡状态v(CH₃OH)=________，平衡常数Ka、Kb、Kc的大小关系:____________。

③下列措施既能增大反应速率又能提高反应物的转化率的是_______。

A.使用催化剂     B.及时分离CH₃OH      C.升高温度     D.增大压强

(3)已知燃料电池的比能量与单位质量燃料物质失去的电子数成正比。理论上H₂、CH₄、CH₃OH的碱性电池的比能量由小到大的顺序为___________。

Answer

+30.7 kJ·mol-1 压强 该反应正向是气体体积减小的反应，增大压强化学平衡有利于正向移动，CO的转化率增大 < 0.05mol/(L·min) Ka=Kb>Kc D H2>CH4>CH3OH

【解析】（1）根据盖斯定律（③2-②-①6）/2: [-846.32—(-576)-（-1986）]/2=+30.7 kJ·mol-1

(2) ①因为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-116kJ/mo1，根据方程式分析，温度升高平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率(α)减小，增大压强，平衡正向移动，CO的平衡转化率(α)增大， 图中是随X变化CO的平衡转化率(α)增大的， 所以X表示的是压强，理由该反应正向是气体体积减小的反应，增大压强化学平衡有利于正向移动，CO的转化率增大；由图知压强一定时，Y1的转化率大于Y2 所以Y1的温度小于Y2的温度。答案：压强 ； 该反应正向是气体体积减小的反应，增大压强化学平衡有利于正向移动，CO的转化率增大；<。

②根据三段式： CO(g)+ 2H2(g)CH3OH(g) c点CO的平衡转化率为0.5

起始量(mol/l) 1 2 0

变化量(mol/l) 0.5 1 0.5

平衡量(mol/l) 0.5 1 0.5

v(CH3OH)= 0.5 mol.L-/10 min= 0.05mol/(L·min)

因为平衡常数只与温度有关，a b两点同在Y1曲线上，温度相同，所以Ka= Kb。根据因为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-116kJ/mo1为放热反应，由图知压强一定时，Y1的转化率大于Y2 所以Y1的温度小于Y2的温度，升温平衡逆向移动，所以Ka=Kb>Kc。

③A.使用催化剂只改变化学反应速率，不能影响平衡移动，也不能改变反应物的转化率，故A不符合题意；B.及时分离CH3OH，减小生成物的浓度，平衡正向移动， 提高反应物的转化率，但化学反应速率降低，故B不符合题意；C.升高温度加快化学反应速率，但升温平衡逆向移动，降低反应物的转化率，故C不符合题意；D.增大压强加快化学反应速率，因为正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，反应物的转化率增大，故D符合题意。答案D。

因为燃料电池的比能量与单位质量燃料物质失去的电子数成正比，所以相同质量的H2、CH4、CH3OH的碱性电池转移的电子数为：H2H2O转移的电子数m/22e-=m； CH4CO2转移的电子数为m/168e-=m/2；CH3OHCO2转移的电子数为m/326e-=3m/16，所以转移的电子数H2>CH4>CH3OH，其比能量由小到大的顺序为H2>CH4>CH3OH。