Question

【題目】據報道，我國在南海北部神狐海域進行的可燃冰（甲烷的水合物)試采獲得成功。甲烷是一種重要的化工原料。

（1）甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，有以下三種：

部分氧化： CH4(g)+1/2O2(g) CO(g)+2H2(g) ΔH1= —35.9kJ·mol-1 ①

水蒸氣重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ②

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= —41.2kJ·mol-1 ③

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH4 ④

則反應②自發進行的條件是________________，ΔH4 =_____________kJ·mol-1。

（2）起始向密閉容器中充入一定量的CH4(g)和O2(g)，發生反應①。CH4(g)的平衡轉化率與溫度（T）和壓強（P）的關系如圖所示。

①N、P兩點的平衡常數：K(N)_______K(P)（填“＞”“＜”或“=”）,理由是_____________。

②M、N兩點的H2的物質的量濃度c(M)____c(N)（填“＞”“＜”或“=”）。

（3）合成氣CO和H2在一定條件下能發生如下反應：CO(g) +2H2(g) CH3OH(g)。在容積均為V L的甲、乙、丙三個密閉容器中分別充入amol CO和2a mol H2，三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變，在其他條件相同的情況下，實驗測得反應均進行到t min時CO的體積分數如圖所示，此時三個容器中一定處在化學平衡狀態的是_________（填“T1”或“T2” 或“T3”）；該溫度下的化學平衡常數為___________（用a、V表示）。

（4）光能儲存一般是指將光能轉換為電能或化學能進行儲存，利用太陽光、CO2、H2O生成甲醇的光能儲存裝置如圖所示，制備開始時質子交換膜兩側的溶液質量相等。則b極的電極反應式為_________。

Answer 1

【答案】高溫+247.1＞反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，CH4(g)的平衡轉化率降低，所以T1＜T2,故P點平衡常數小于N點＜T39V2/2a2 CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1).反應自發進行的條件是△H－T△S<0，水蒸氣重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ② 、CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= －41.2kJ·mol-1 ③ ，根據蓋斯定律②－③得二氧化碳重整的熱化學方程式；

(2). 反應①為氣體體積增大的放熱反應，根據平衡移動原理分析即可；

(3). 由圖象分析可知隨反應進行CO體積分數應是降低，達到平衡狀態后升溫平衡逆向進行；

(4). 由生成甲醇的光能儲存裝置可知，b電極上CO2得到電子生成甲醇。

(1). 反應自發進行的條件是△H－T△S<0，由水蒸氣重整的熱化學方程式CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1可知，該反應的△H＞0、△S＞0，要滿足△H－T△S<0，則需要高溫的條件，水蒸氣重整：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ② 、CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH3= —41.2kJ·mol-1 ③ ，根據蓋斯定律②－③得二氧化碳重整的熱化學方程式為：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH4=+247.1 kJ·mol-1，故答案為：高溫；+247.1；

(2). ①.反應①為放熱反應，升高溫度，甲烷的轉化率降低，即T2＞T1，化學平衡常數只受溫度的影響，因此根據化學平衡常數的定義可知：K(N)＞K(P)，故答案為：＞；反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，CH4(g)的平衡轉化率降低，所以T1＜T2，故P點平衡常數小于N點；

②.N點壓強大于M點，對應反應①，增大壓強平衡雖然向逆反應方向進行，但平衡移動的趨勢微弱，組分的濃度依然增大，即氫氣濃度c(M)＜c(N)，故答案為：＜；

(3).隨著反應的進行，CO的體積分數應該是降低的，達到平衡狀態后升溫平衡逆向進行，T1到T2溫度升高一氧化碳體積分數減小，說明反應未達到平衡狀態，反應正向進行，但T2不知是否為最低點，無法確定是否為平衡點，升溫平衡逆向進行，一氧化碳體積分數增大，說明T3一定是平衡狀態，由平衡三段式法得：

CO(g) +2H2(g) CH3OH(g)

起始(mol) a 2a 0

轉化(mol) x 2x x

平衡(mol) a-x 2a-2x x，結合圖象可知，×100%=20%，解得x=，根據平衡常數表達式K=，代入數值得K=9V2/2a2，故答案為T3；9V2/2a2；

(4).由裝置圖可知，在b電極上CO2得到電子生成甲醇，且此裝置的電解質溶液為稀硫酸，所以b電極反應式為CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O，故答案為：CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O。