Question

煤制備CH4是一種有發(fā)展前景的新技術(shù)。

I. 煤炭氣化并制備CH4包括以下反應(yīng):

C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2 (g)   ? ΔH 1 = +131 kJ/mol 

CO(g) + H2O(g)=CO2 (g)+ H2(g)    ? ΔH 2 = ?41 kJ/mol  

CO(g) + 3H2 (g)=CH4 (g)+ H2O(g)   ? ΔH 3 = ?206 kJ/mol 

(1)寫(xiě)出煤和氣態(tài)水制備CH4(產(chǎn)物還有CO2)的熱化學(xué)方程式??????????????????????????????????? 。

(2)煤轉(zhuǎn)化為水煤氣(CO和H2)作為燃料和煤直接作為燃料相比，主要的優(yōu)點(diǎn)有???????????????????? 。

(3)寫(xiě)出甲烷—空氣燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)中負(fù)極的電極反應(yīng)式?????????????????????? 。

II. 對(duì)以上反應(yīng)CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g)  ΔH 2 = ?41 kJ/mol，起始時(shí)在密閉容器中充入1.00 molCO和1.00 molH2O，分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)，探究影響平衡的因素（其它條件相同且不考慮任何副反應(yīng)的影響）。實(shí)驗(yàn)條件如下表：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	容器體積/L	溫度/°C
①	2.0	1200
②	2.0	1300
③	1.0	1200

 

(1)實(shí)驗(yàn)①中c(CO2)隨時(shí)間變化的關(guān)系見(jiàn)下圖，請(qǐng)?jiān)诖痤}卡的框圖中，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)②和③中c(CO2)隨時(shí)間變化關(guān)系的預(yù)期結(jié)果示意圖。

(2)在與實(shí)驗(yàn)①相同的條件下，起始時(shí)充入容器的物質(zhì)的量：n(CO)=n(H2O)=n(CO2) =n( H2)=1.00mol。通過(guò)計(jì)算，判斷出反應(yīng)進(jìn)行的方向。（寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程。）

 

Answer 1

【答案】

I.（1）2C(s)+ 2H2O(g)= CH4 (g)+ CO2 (g)? ΔH  = +15 kJ/mol ???? （3分 ）

(2)提高煤的利用率（節(jié)約能源或節(jié)約資源）（1分）、減少污染。（1分）

(3)CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O（2分）

II. (1) 如圖所示

(2)Q＞ K?? 反應(yīng)向逆反應(yīng)方向（生成CO和H2O的方向）進(jìn)行? ? （1分）

【解析】

試題分析： I. (1) 根據(jù)蓋斯定律和已知方程式，煤和氣態(tài)水制備甲烷的熱化學(xué)方程式可由方程式①×2+②+③而得，所以ΔH=2ΔH 1+ ΔH 2+ΔH 3 = +15 kJ/mol ，所以熱化學(xué)方程式為：2C(s)+ 2H2O(g)= CH4 (g)+ CO2 (g)? ΔH  = +15 kJ/mol 。

(2) 煤氣化后生成水煤氣再燃燒比直接燃燒煤更加充分，提高能源利用率，同時(shí)燃煤容易產(chǎn)生酸雨，所以燃燒水煤氣還可以減少污染。

(3)用甲烷作燃料制成的堿性燃料電池中，甲烷失電子生成的CO2氣體會(huì)與溶液中的堿性介質(zhì)進(jìn)一步反應(yīng)生成CO32-，所以其負(fù)極的反應(yīng)式為：CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O。

II. (1) CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 的反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，所以溫度升高，反應(yīng)的反應(yīng)速率加快，但使平衡逆向移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)②曲線(xiàn)比實(shí)驗(yàn)①曲線(xiàn)更快達(dá)到平衡，但是平衡時(shí)CO2的濃度要低一些；相比之下，實(shí)驗(yàn)③比試驗(yàn)①縮小了體積，即增大了壓強(qiáng)，由于反應(yīng)前后氣體系數(shù)不變，所以增大壓強(qiáng)只能增大化學(xué)反應(yīng)速率，但是不能改變平衡，因此實(shí)驗(yàn)③的曲線(xiàn)比實(shí)驗(yàn)①更快達(dá)到平衡，且平衡時(shí)CO2的濃度是實(shí)驗(yàn)①的2倍。如圖

(2)整體思路：先根據(jù)實(shí)驗(yàn)①充入的物質(zhì)的物質(zhì)的量和平衡時(shí)候CO2的濃度計(jì)算出在相同溫度下的平衡常數(shù)K，然后比較此時(shí)的濃度商Q與實(shí)驗(yàn)①的K值的大小，從而得出反應(yīng)進(jìn)行的方向。

計(jì)算過(guò)程為：

(2) 平衡時(shí)n(CO2)=0.20mol/Lx2.0L=0.40mol

CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 

起始物質(zhì)的量/mol? 1.00? 1.00? 1.00??? 1.00

變化物質(zhì)的量/mol? 0.40? 0.40? 0.40??? 0.40

平衡物質(zhì)的量/mol? 0.60? 0.60? 0.40??? 0.40 （1分）

K==0.44 （2分）

Q= == 1.0 （1分）

Q＞ K???? 反應(yīng)向逆反應(yīng)方向（生成CO和H2O的方向）進(jìn)行? ? （1分）

考點(diǎn)：本題考查的是化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)，主要包括蓋斯定律應(yīng)用、熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、影響化學(xué)平衡的因素、圖像問(wèn)題、反應(yīng)方向的判斷計(jì)算。