Question

【題目】能源是人類共同關(guān)注的重要問題。頁巖氣是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的天然氣資源，頁巖氣的主要成分是甲烷，是公認的潔凈能源。

（1）頁巖氣不僅能用作燃料，還可用于生產(chǎn)合成氣(CO和H2)。CH4與H2O(g)通入聚焦太陽能反應(yīng)器，發(fā)生反應(yīng) CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1

已知：①CH4、H2、CO 的燃燒熱（△H）分別為-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；

②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1

則△H1= ___________（用含字母a、b、c、d的代數(shù)式表示）kJmol-1。

（2）用合成氣生成甲醇的反應(yīng)為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2，在10L恒容密閉容器中按物質(zhì)的量之比1∶2充入CO和H2，測得CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度和壓強的關(guān)系如下圖所示，200℃時n(H2)隨時間的變化如下表所示：

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

①△H2_________ (填“>”“<”或“ = ”)0。

②下列說法正確的是____________ (填標號）。

a.溫度越高，該反應(yīng)的平衡常數(shù)越大 b.達平衡后再充入稀有氣體，CO的轉(zhuǎn)化率提高

c.容器內(nèi)氣體壓強不再變化時，反應(yīng)達到最大限度 d.圖中壓強p1<p2

③200℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K =_______。

（3）甲烷、氧氣和KOH溶液可組成燃料電池。標準狀況下通入5.6 L甲烷，測得電路中轉(zhuǎn)移1.2 mol電子，則甲烷的利用率為_________。

（4）有人設(shè)計將兩根 Pt 絲作電極插入 KOH 溶液中，然后向兩極上分別通入乙醇和氧氣而 構(gòu)成燃料電池。則此燃料電池工作時，其電極反應(yīng)式為：

負極：_____________

正極：_____________

Answer 1

【答案】-a+3b+c–d<cd6.2560%C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2OO2+4e-+2H2O=4OH-

【解析】

（1） CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H1，已知：①CH4、H2、CO 的燃燒熱（△H）分別為-a kJmol-1、-b kJmol-1、-c kJmol-1；②H2O (l) =H2O(g)； △H=+dkJmol-1，由蓋斯定律可知△H1=-a+3b+c–d kJmol-1，故答案為：-a+3b+c–d；

（2）①由圖示可知在恒壓條件下，隨著溫度的升高CO的轉(zhuǎn)化率降低，說明升高溫度平衡逆向移動，即正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H2＜0，故答案為：＜；

②a、正方向為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小，故a錯誤；b.達平衡后再充入稀有氣體，壓強增大，但平衡不移動，CO的轉(zhuǎn)化率不變，故b錯誤；c.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)，達到平衡前氣體總物質(zhì)的量在不斷變化，當容器內(nèi)氣體壓強不再變化時，說明混合氣體的總物質(zhì)的量不再改變，反應(yīng)達到平衡，即反應(yīng)達到最大限度，故c正確；d.、由圖示可知，在恒溫恒容的條件下，增大壓強，平衡向正方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率增大，即圖中壓強p1＜p2，故d正確；故答案為：cd；

③由圖表可知，3min后反應(yīng)達到平衡狀態(tài)

CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

起始濃度（mol·L－1） 0.4 0.8 0

變化濃度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

起始濃度（mol·L－1） 0.2 0.4 0.2

200℃時，200℃時平衡常數(shù)K=c(CH3OH)/(c(CO)×c2(H2))=0.2/(0.2×0．42)=6.25；故答案為：6.25；

（3）甲烷、氧氣和KOH溶液可組成燃料電池,CH4完全氧化后的產(chǎn)物為K2CO3，1mol甲烷完全燃燒轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為[4－（-4）]mol=8mol。測得電路中轉(zhuǎn)移1.2 mol電子，可知參加反應(yīng)的甲烷為1.2mol/8mol ×1mol=0.15mol，標準狀況下通入5.6 L甲烷的物質(zhì)的量為5.6L/22.4L·mol－1=0.25mol，甲烷的利用率為0.15mol/0.25mol ×100%=60%，故答案為：60%；

（4）在燃料電池的負極發(fā)生氧化反應(yīng)，通入的是乙醇，電極反應(yīng)式為：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O；正極發(fā)生還原反應(yīng)，通入的是氧氣，電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2H2O=4OH-，故答案為：C2H5OH+16OH--12e-=2CO32-+11H2O、O2+4e-+2H2O=4OH-。