Question

煤制備CH4是一種有發展前景的新技術。

I. 煤炭氣化并制備CH4包括以下反應:

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)寫出煤和氣態水制備CH4(產物還有CO2)的熱化學方程式??????????????????????????????????? 。

(2)煤轉化為水煤氣(CO和H2)作為燃料和煤直接作為燃料相比，主要的優點有???????????????????? 。

(3)寫出甲烷—空氣燃料電池(電解質溶液為KOH溶液)中負極的電極反應式?????????????????????? 。

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

實驗編號	容器體積/L	溫度/°C
①	2.0	1200
②	2.0	1300
③	1.0	1200

 

(1)實驗①中c(CO2)隨時間變化的關系見下圖，請在答題卡的框圖中，畫出實驗②和③中c(CO2)隨時間變化關系的預期結果示意圖。

(2)在與實驗①相同的條件下，起始時充入容器的物質的量：n(CO)=n(H2O)=n(CO2) =n( H2)=1.00mol。通過計算，判斷出反應進行的方向。（寫出計算過程。）

 

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（節約能源或節約資源）（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?? 反應向逆反應方向（生成CO和H2O的方向）進行? ? （1分）

【解析】

試題分析： I. (1) 根據蓋斯定律和已知方程式，煤和氣態水制備甲烷的熱化學方程式可由方程式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，同時燃煤容易產生酸雨，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氣體會與溶液中的堿性介質進一步反應生成CO32-，所以其負極的反應式為：CH4—8e-+10OH-=CO32-+7H2O。

II. (1) CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 的反應是一個放熱反應，所以溫度升高，反應的反應速率加快，但使平衡逆向移動，實驗②曲線比實驗①曲線更快達到平衡，但是平衡時CO2的濃度要低一些；相比之下，實驗③比試驗①縮小了體積，即增大了壓強，由于反應前后氣體系數不變，所以增大壓強只能增大化學反應速率，但是不能改變平衡，因此實驗③的曲線比實驗①更快達到平衡，且平衡時CO2的濃度是實驗①的2倍。如圖

(2)整體思路：先根據實驗①充入的物質的物質的量和平衡時候CO2的濃度計算出在相同溫度下的平衡常數K，然后比較此時的濃度商Q與實驗①的K值的大小，從而得出反應進行的方向。

計算過程為：

(2) 平衡時n(CO2)=0.20mol/Lx2.0L=0.40mol

CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g) 

起始物質的量/mol? 1.00? 1.00? 1.00??? 1.00

變化物質的量/mol? 0.40? 0.40? 0.40??? 0.40

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

K==0.44 （2分）

Q= == 1.0 （1分）

Q＞ K???? 反應向逆反應方向（生成CO和H2O的方向）進行? ? （1分）

考點：本題考查的是化學反應原理知識，主要包括蓋斯定律應用、熱化學方程式的書寫、影響化學平衡的因素、圖像問題、反應方向的判斷計算。