甲烷是工业上常用的化工原料（1）以CH4为原料制取H2是工业上常用的制氢方法，热化学方程式为：CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+206.0kJ•mol-l．一定温度下，将CH4和H2O（g）各0.11mol充入

Question

甲烷是工业上常用的化工原料
（1）以CH₄为原料制取H₂是工业上常用的制氢方法，热化学方程式为：
CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-l．一定温度下，将CH₄和H₂O（g）各0.11mol充入IL恒容密闭容器中：
①若平衡时压强与初始压强比为21：11，则平衡时H₂的体积分数______．
②保持其它条件不变，只改变下列条件能使H₂的体积分数增大的是______．
A．使用高效催化剂    B．充入He（g），增大压强  C．升高温度    D．向容器中再充入1mol CO和3mol H₂
③保持上述温度和体积不变，初始投入CH₄、H₂O（g）、CO、H₂各为0.04mol、0.04mol、X、Y，若平衡时氢气的体积分数保持不变，则X为______ mol、Y为______mol．
在此情况下，反应起始将向_______（填“正”或“逆”）反应方向进行．
④已知：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ•mol^-l，写出由CO₂和CH₄反应生成CO和H₂的热化学方程式______．
（2）以甲烷和氧气为燃料，氢氧化钾溶液为电解质溶液构成电池．负极的电极反应式为______．

Answer 1

（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）
开始（mol） 0.11    0.11       0        0
转化（mol）  x        x        x       3x
平衡（mol）0.11-x   0.11-x    x        3x
容器体积不变时气体的压强之比等于物质的量之比，有(0.11−x+0.11−x+x+3x)/(0.11+0.11)＝21：11，x=0.1，
所以平衡时氢气的体积分数为(3×0.1)/(0.01+0.01+0.1+0.3)×100%=71.4%，
故答案为：71.4%；
②A、催化剂不影响平衡移动，故A错误；
B、充入氦气增大压强，平衡不发生移动，故B错误；
C、升高温度平衡向吸热的正向移动，氢气的体积分数增大，故C正确；
D、再充入1mol CO和3mol H₂容器内压强增大，平衡向气体体积减小的逆向移动，氢气体积分数减小，故D错误；
故选C；
③恒温恒容下，若平衡时氢气的体积分数保持不变，则为等效平衡，反应前后气体体积不同，所以必须完全等效，及CO和氢气完全转化为反应物甲烷和水各为为0.11mol，有0.04mol+X=0.04mol+(Y)/(3)=0.11，则X=0.07mol，Y=0.21mol；据①问知，平衡时甲烷等各物质的物质的量分别为0.01mol、0.01mol、0.1mol0.3mol，可见开始时平衡正向移动，故答案为：0.07；0.21；正；
④已知：（1）CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ•mol^-l，（2）CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-l．
据盖斯定律（2）×2-（1）得：CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.0 kJ•mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.0 kJ•mol^-1；
（2）甲烷热量电池在碱性环境中生成碳酸根，并且有氢氧根离子参加反应，据C的化合价反应前-4价，反应后+4价知每mol甲烷失8mol电子，据电荷守恒和原子守恒配平后为：CH₄-8 e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8 e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．