工業(yè)上利用天然氣(主要成分是CH4)與H2O進行高溫重整制備合成氣(CO+H2),CO和H2在一定條件下能制備甲醛、甲醚等多種有機物.已知CH4、H2和CO的燃燒熱(△H)分別為-890.3kJ?mol-1、-285.8kJ?mol-1和-283.0kJ?mol-1;18.0g水蒸氣液化時的能量變化為44.0kJ.
(1)寫出甲烷與水蒸氣在高溫下反應(yīng)制合成氣的熱化學(xué)方程式
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1kJ?mol-1

(2)在一定條件下,向體積固定為2L的密閉容器中充入0.40mol CH4(g)和0.60mol H2O(g),測得CH4(g)和H2(g)的物質(zhì)的量濃度隨時間變化的曲線如圖所示.
3min時改變條件,反應(yīng)進行到4min時,體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量如下表所示:
t/min n(CH4)/mol n(H2O)/mol n(CO)/mol n(H2)/mol
4 0.18 0.38 0.22 0.66
則3~4min之間,平衡向
(填“正”或“逆”)反應(yīng)方向移動,3min時改變的條件是
升高溫度
升高溫度

(3)已知溫度、壓強和碳水比[
n(CH4)
n(H2O)
]對該反應(yīng)的影響如圖所示.

①圖l中,兩條曲線所示溫度的關(guān)系:t1
t2(填“>”、“<”或“=”,下同).
②圖2中,兩條曲線所示碳水比的關(guān)系:x1
x2
③圖3中,兩條曲線所示壓強的關(guān)系:p1
p2
(4)以天然氣(假設(shè)雜質(zhì)不參與反應(yīng))為原料的燃料電池示意圖如圖所示. 
①放電時,正極的電極反應(yīng)式為
O2+4e-+2H2O=4OH-
O2+4e-+2H2O=4OH-

②假設(shè)裝置中盛裝100.0mL 3.0mol?L-1 KOH溶液,放電時參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為8 960mL.放電完畢后,電解質(zhì)溶液中各離子濃度的大小關(guān)系為
c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+
c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+
分析:(1)根據(jù)燃燒熱寫出熱化學(xué)方程式,利用蓋斯定律計算;
(2)根據(jù)圖象可知3min時,平衡時各組分的平衡濃度,再根據(jù)4min時各組分濃度變化量判斷改變的條件;
(3)①根據(jù)反應(yīng)的熱效應(yīng)判斷溫度對平衡移動的影響,結(jié)合圖象分析解答;
②碳水比[
n(CH4)
n(H2O)
]值越大,平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率越低,含量越高;
③根據(jù)壓強對平衡移動影響,結(jié)合圖象分析解答;
(4)①正極發(fā)生還原反應(yīng),氧氣在正極放電生成氫氧根離子;
②計算氧氣的物質(zhì)的量,進而計算生成二氧化碳的物質(zhì)的量,根據(jù)n(NaOH)與n(CO2)比例關(guān)系判斷反應(yīng)產(chǎn)物,進而計算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量,結(jié)合鹽類水解與電離等判斷.
解答:解:(1)已知:①H2(g)+
1
2
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ?mol-1
②CO(g)+
1
2
O2(g)=CO2(g) )△H=-283.0kJ?mol-1
③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l))△H=-890.3kJ?mol-1,
④H2O(g)=H2O(l)△H=-44.0kJ?mol-1
利用蓋斯定律將④+③-②-3×①可得:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)
△H=(-44.0kJ?mol-1)+(-890.3kJ?mol-1)-(-283.0kJ?mol-1)-3×(-285.8kJ?mol-1)=+206.1 kJ?mol-1
故答案為:CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.1 kJ?mol-1;
(2)根據(jù)圖象可知3min時,平衡時甲烷的濃度為0.1mol/L,氫氣的濃度為0.3mol/L,則:
             CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)
開始(mol/L):0.2      0.3      0      0
變化(mol/L):0.1      0.1      0.1    0.3
平衡(mol/L):0.1      0.2      0.1    0.3
4min時甲烷的濃度為0.09mol/L,濃度減小0.1-0.09=0.01
水的濃度為0.19mol,濃度減小0.2-0.19=0.01;
CO的濃度為0.11,濃度增大0.11-0.1=0.01
氫氣的濃度為0.33,濃度增大0.33-0.3=0.03
濃度變化量之比為1:1:1:3,等于化學(xué)計量數(shù)之比,應(yīng)是改變溫度平衡向正反應(yīng)方向移動,該反應(yīng)正反應(yīng)是吸熱反應(yīng),故3min改變條件為升高溫度;
故答案為:正;升高溫度;
(3)①該反應(yīng)正反應(yīng)為吸熱反應(yīng),升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移動,甲烷的含量降低,故溫度t1<t2,故答案為:<;
②碳水比[
n(CH4)
n(H2O)
]值越大,平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率越低,含量越高,故x1>x2,故答案為:>;
③該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng),增大壓強平衡向逆反應(yīng)方向移動,平衡時甲烷的含量降低,故p1>p2,故答案為:>;
(4)①正極發(fā)生還原反應(yīng),氧氣在正極放電生成氫氧根離子,正極電極反應(yīng)式為:O2+4e-+2H2O=4OH-,故答案為:O2+4e-+2H2O=4OH-;
②參與反應(yīng)的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為8960mL,物質(zhì)的量為
8.96L
22.4L/mol
=0.4mol,根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知,生成二氧化碳為
0.4mol×4
8
=0.2mol,n(NaOH)=0.1L×3.0mol?L-1=0.3mol,n(NaOH):n(CO2)=0.3mol:0.2mol=3:2,介于1:1與2:1之間,故生成碳酸鉀、碳酸氫鉀,令碳酸鉀、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol,則x+y=0.2,2x+y=0.3,解得x=0.1,y=0.1,溶液中碳酸根水解,碳酸氫根的水解大于電離,溶液呈堿性,故c(OH-)>c(H+),碳酸根的水解程度大于碳酸氫根,故c(HCO3-)>c(CO32-),鉀離子濃度最大,水解程度不大,碳酸根濃度原大于氫氧根離子,故c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+),
故答案為:c(K+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+).
點評:本題綜合性較大,涉及熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)平衡計算、原電池、化學(xué)計算、離子濃度比較等,難度中等,是對基礎(chǔ)知識與學(xué)生能力的綜合考查.
練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中化學(xué) 來源: 題型:

近期大面積持續(xù)“油荒”、“電荒”,嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn),人民的生活,能源成了我們亟待解決的問題.目前,我國的能源結(jié)構(gòu)主要是煤,還有石油、天然氣、核能等,這些能源都是一次不可再生且污染環(huán)境的能源,研究和開發(fā)清潔而又用之不竭的能源是未來發(fā)展的首要任務(wù).科學(xué)家預(yù)測“氫能”將是未來21世紀(jì)最理想的新能源.

(1)目前世界上的氫絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取.請寫出工業(yè)上由天然氣制氫氣的化學(xué)反應(yīng)方程式.

(2)利用硫-碘熱循環(huán)法制取氫也是化學(xué)家常用的一種方法,總反應(yīng)方程式為:

2H2O 2H2+O2,其循環(huán)過程分三步進行:

(a)SO2+I2+H2O→A+B      (b)A→?+?      (c)B→?+?+?

①完成以上三步反應(yīng),并確定哪步反應(yīng)最難進行.

②請對硫-碘熱循環(huán)法制取氫的優(yōu)劣和前景作一分析.

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:

近期大面積持續(xù)“油荒”、“電荒”,嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn),人民的生活,能源成了我們亟待解決的問題.目前,我國的能源結(jié)構(gòu)主要是煤,還有石油、天然氣、核能等,這些能源都是一次不可再生且污染環(huán)境的能源,研究和開發(fā)清潔而又用之不竭的能源是未來發(fā)展的首要任務(wù).科學(xué)家預(yù)測“氫能”將是未來21世紀(jì)最理想的新能源.

(1)目前世界上的氫絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取.請寫出工業(yè)上由天然氣制氫氣的化學(xué)反應(yīng)方程式.

(2)利用硫-碘熱循環(huán)法制取氫也是化學(xué)家常用的一種方法,總反應(yīng)方程式為:

2H2O 2H2+O2,其循環(huán)過程分三步進行:

(a)SO2+I2+H2O→A+B     (b)A→?+?      (c)B→?+?+?

①完成以上三步反應(yīng),并確定哪步反應(yīng)最難進行.

②請對硫-碘熱循環(huán)法制取氫的優(yōu)劣和前景作一分析.

 

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科目:高中化學(xué) 來源:化學(xué)基本概念測試題 題型:推斷題

近期大面積持續(xù)“油荒”、“電荒”,嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn),人民的生活,能源成了我們亟待解決的問題.目前,我國的能源結(jié)構(gòu)主要是煤,還有石油、天然氣、核能等,這些能源都是一次不可再生且污染環(huán)境的能源,研究和開發(fā)清潔而又用之不竭的能源是未來發(fā)展的首要任務(wù).科學(xué)家預(yù)測“氫能”將是未來21世紀(jì)最理想的新能源.
(1)目前世界上的氫絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取.請寫出工業(yè)上由天然氣制氫氣的化學(xué)反應(yīng)方程式.
(2)利用硫-碘熱循環(huán)法制取氫也是化學(xué)家常用的一種方法,總反應(yīng)方程式為:
2H2O 2H2+O2,其循環(huán)過程分三步進行:
(a)SO2+I2+H2O→A+B     (b)A→?+?     (c)B→?+?+?
①完成以上三步反應(yīng),并確定哪步反應(yīng)最難進行.
②請對硫-碘熱循環(huán)法制取氫的優(yōu)劣和前景作一分析.

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科目:高中化學(xué) 來源:化學(xué)基本概念測試題 題型:選擇題

近期大面積持續(xù)“油荒”、“電荒”,嚴(yán)重影響了工業(yè)生產(chǎn),人民的生活,能源成了我們亟待解決的問題.目前,我國的能源結(jié)構(gòu)主要是煤,還有石油、天然氣、核能等,這些能源都是一次不可再生且污染環(huán)境的能源,研究和開發(fā)清潔而又用之不竭的能源是未來發(fā)展的首要任務(wù).科學(xué)家預(yù)測“氫能”將是未來21世紀(jì)最理想的新能源.

(1)目前世界上的氫絕大部分是從石油、煤炭和天然氣中制取.請寫出工業(yè)上由天然氣制氫氣的化學(xué)反應(yīng)方程式.

(2)利用硫-碘熱循環(huán)法制取氫也是化學(xué)家常用的一種方法,總反應(yīng)方程式為:

2H2O 2H2+O2,其循環(huán)過程分三步進行:

(a)SO2+I2+H2O→A+B      (b)A→?+?      (c)B→?+?+?

①完成以上三步反應(yīng),并確定哪步反應(yīng)最難進行.

②請對硫-碘熱循環(huán)法制取氫的優(yōu)劣和前景作一分析.

 

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