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）△H₁=+131kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ/mol
CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H₃=-206kJ/mol
（1）寫出煤和氣態(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．對以上反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ/mol，起始時(shí)在密閉容器中充入1.00mol CO和1.00mol H₂O，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	容器體積/L	溫度/℃
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)系見下圖，請?jiān)诖痤}卡的框圖中，畫出實(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．通過計(jì)算，判斷出反應(yīng)進(jìn)行的方向．（寫出計(jì)算過程．）

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,原電池和電解池的工作原理,物質(zhì)的量或濃度隨時(shí)間的變化曲線

專題：基本概念與基本理論

分析：Ⅰ、（1）根據(jù)蓋斯定律來解答本題；
  （2）氣態(tài)物質(zhì)燃燒時(shí)更充分，產(chǎn)生的污染物少；
  （3）在堿性甲烷燃料電池中，甲烷在負(fù)極放電，生成CO₃^2-，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；
Ⅱ、（1）實(shí)驗(yàn)②與①相比溫度不變，體積增大，則壓強(qiáng)減小，速率減慢，平衡不移動(dòng)；實(shí)驗(yàn)③與②相比較壓強(qiáng)不變，溫度升高，速率加快，平衡正移；
（2）通過題目所給的信息，計(jì)算出此溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值，并與濃度商做對比，從而得出反應(yīng)進(jìn)行的方向．

解答： 解：I．（1）根據(jù)蓋斯定律可知，將①×2+②+③可得：2C（s）+2H₂O（g）=CH₄ （g）+CO₂ （g）△H=（+131kJ/mol）×2+（-41kJ/mol）+（-206kJ/mol）=+15 kJ/mol，
故答案為：2C（s）+2H₂O（g）=CH₄ （g）+CO₂ （g）△H=+15 kJ/mol 
（2）煤轉(zhuǎn)化為水煤氣（CO和H₂）作為燃料時(shí)，燃燒更充分，煤的利用率更高，產(chǎn)生的污染物少，
故答案為：提高煤的利用率（節(jié)約能源或節(jié)約資源）、減少污染；
（3）在堿性甲烷燃料電池中，甲烷在負(fù)極放電，考慮到是堿性環(huán)境，故生成CO₃^2-，故負(fù)極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
Ⅱ、（1）實(shí)驗(yàn)②與①相比溫度不變，體積增大，則壓強(qiáng)減小，速率減慢，平衡不移動(dòng)，體積增大一倍，濃度時(shí)原來的一半；實(shí)驗(yàn)③與②相比較壓強(qiáng)不變，溫度升高，速率加快，平衡逆向移動(dòng)，二氧化碳的濃度減小，但小于實(shí)驗(yàn)①的濃度，據(jù)此畫圖為：故答案為：
（2）平衡時(shí)n（CO₂）=0.20mol/L×2.0L=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
故平衡常數(shù) K═=

0.4mol/L×0.4mol/L

0.6mol/L×0.6mol/L

=0.44 
起始時(shí)充入容器的物質(zhì)的量，n（CO）=n（H₂O）=n（CO₂）=n（ H₂）=1.00mol時(shí)，C（CO）=C（H₂O）=C（CO₂）=C（ H₂）=0.5mol/L，
此時(shí)濃度商Qc==

0.5mol/L×0.5mol/L

0.5mol/L×0.5mol/L

=1.0
可知Qc＞K，故反應(yīng)向逆反應(yīng)方向（生成CO和H₂O的方向）進(jìn)行，故答案為：反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行．

點(diǎn)評：本題綜合考查了利用蓋斯定律來計(jì)算反應(yīng)熱、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫和反應(yīng)方向的判斷，并考查了圖象問題，綜合性較強(qiáng)，難度較大．