Question

(13分)天然氣的主要成分是甲烷，它是一種重要的燃料和基礎化工原料。

（1）以甲烷和水為原料可制取甲醇。

①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H=+206.0kJ/mol

②CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H＝—129.0kJ/mol

則CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g)的△H＝__________kJ/mol。

（2）用甲烷催化還原NOx為N2可消除氮氧化物的污染，寫出反應的化學方程式_______。

（3）一定條件下，反應CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)可以制取合成氨的原料氣H2。將1.0mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入容積為100L的反應室，CH4的平衡轉化率與溫度的關系如圖。已知100℃時達到平衡所需的時間是5min，則用H2表示的反應速率v(H2)=___________；該溫度時的平衡常數(shù)K=__________，該反應的△H_______0(填“<”、“>”或“=”)。

（4）某化學小組設計如圖裝置進行飽和NaCl溶液電解實驗。

請回答下列問題：

已知每個甲烷燃料電池中盛有1.0L2.0 mol/L的KOH溶液。標準狀況下，當每個燃料電池的負極通入甲烷的體積均為33.6L，且反應完全，則理論上電池溶液中c(K2CO3)_______c(KHCO3)(填“<”、“>”或“=”)：最多能產生標準狀況氯氣的體積為________L。

Answer 1

（1）＋77.0 （2）xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O

（3）0.003mol/(L·min)；2.25×10—4（mol/L）2 ＞ （4）＜ 134.4

【解析】

試題分析：（1）已知①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H=+206.0kJ/mol,②CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H＝—129.0kJ/mol，則根據(jù)蓋斯定律可知①＋②即得到CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g)的△H＝＋77.0kJ/mol。

（2）甲烷催化還原NOx為N2可消除氮氧化物的污染，反應中甲烷被氧化為CO2，所以反應的化學方程式為xCH4＋4NOx2N2＋xCO2＋2xH2O。

（3）已知100℃時達到平衡甲烷的轉化率是0.5，則消耗甲烷0.5mol，同時消耗水蒸氣0.5mol，生成CO和氫氣分步是0.5mol和1.5mol，則氫氣的濃度變化量是1.5mol÷100L＝0.0015mol/L，所以用H2表示的反應速率v(H2)＝0.0015mol/L÷5min＝0.003mol/(L·min)；平衡時甲烷、水蒸氣、CO、氫氣的濃度分別是0.0005mol/L、0.0015mol/L、0.0005mol/L、0.0015mol/L，則平衡常數(shù)K＝。升高溫度甲烷的轉化率增大，說明升高溫度平衡向正反應方向堿性，因此正方應是吸熱反應，該反應的△H＞0。

（4）消耗甲烷的物質的量是33.6L÷22.4L/mol＝1.5mol，完全反應生成1.5molCO2。氫氧化鉀的物質的量是2mol，則與甲烷生成的CO2反應生成碳酸鉀和碳酸氫鉀，設二者的物質的量分別是xmol、ymol，則x+y＝1.5、2x+y＝2，解得x＝0.5、y＝1.0，所以碳酸鉀的物質的量小于碳酸氫鉀。甲烷中碳元素的化合價是—2價，升高到＋4價，失去4個電子，共計失去6mol電子，由于是兩個氫氧燃料電池，則轉移電子是12mol，共計電子得失守恒可知氯氣的物質的量是12mol÷2＝6mol，在標準狀況下的體積是6mol×22.4L/mol＝134.4L。

考點：考查蓋斯定律、氧化還原反應、反應速率和平衡常數(shù)、外界條件對平衡狀態(tài)的影響以及電化學原理應用等