煤制备CH4是一种有发展前景的新技术。I. 煤炭气化并制备CH4包括以下反应:C(s)+H...

煤制备CH4是一种有发展前景的新技术。

I. 煤炭气化并制备CH4包括以下反应:

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)写出煤和气态水制备CH4(产物还有CO2)的热化学方程式　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 。

(2)煤转化为水煤气(CO和H2)作为燃料和煤直接作为燃料相比，主要的优点有　　　　　　　　　　　　　　 。

(3)写出甲烷—空气燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)中负极的电极反应式　　　　　　　　　　　　　　　 。

II. 对以上反应CO(g)  + H2O(g) CO2 (g)+ H2(g)  ΔH 2 = −41 kJ/mol，起始时在密闭容器中充入1.00 molCO和1.00 molH2O，分别进行以下实验，探究影响平衡的因素（其它条件相同且不考虑任何副反应的影响）。实验条件如下表：

(1)实验①中c(CO2)随时间变化的关系见下图，请在答题卡的框图中，画出实验②和③中c(CO2)随时间变化关系的预期结果示意图。

(2)在与实验①相同的条件下，起始时充入容器的物质的量：n(CO)=n(H2O)=n(CO2) =n( H2)=1.00mol。通过计算，判断出反应进行的方向。（写出计算过程。）

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煤炭气化作为洁净煤利用的核心技术，是影响煤化工系统效率、污染物及温室气体排放的关键。工业生产中主要的气化方式包括纯水气化、CO2气化和纯氧气化，反应如下：

i.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)　　 ΔH=+119kJ·mol-1

ii.C(s)+CO2(g)2CO(g)　　 ΔH=+162kJ·mol-1

iii.C(s)+O2(g)CO(g)　　 ΔH=-123kJ·mol-1

iv.C(s)+ O2(g)CO2(g)　　 ΔH=-409kJ·mol-1

(1)均相水煤气反应CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的ΔH__。

(2)图1是不同气化方式得到的合成气成分，图2是温度对碳转化率的影响(碳转化率是指气化得到气体中的碳占入炉原料煤中碳的质量分数)。

①气化过程中不同氧化剂的配比会对合成气的成分造成很大影响，为了提高合成气的氢碳比，生产中应该适当提高__在氧化剂中的比例。

②若使用混合氧化剂进行气化，最佳气化温度是___℃。温度升高纯氧气化的碳转化率降低，原因是___。

③工业上常在压强200kPa的条件下进行气化，压强过高过低都不利于气化的进行，可能的原因是__。

④T℃时，向容积可变的恒压密闭容器中加入20g燃煤(含碳84%)和2molH2O(g)模拟纯水气化反应，起始容积为2L。一段时间达到平衡后，测得容器内H2为1mol。则该温度下C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常数K=__。

(3)煤的气化中可以利用CO2捕集技术实现CO2的综合利用。用石墨电极电解CO2制CH3CH2OH的原理示意图如图：

①b为电源的___(填“正”或“负”)极。

②生成CH3CH2OH的电极反应式为___。

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（14分）煤炭气化可以提高燃料的利用率，又可以合成新型能源。

（1）煤炭气化时发生的反应为：C（s）＋H₂O（g）H₂（g）＋CO（g）。

①已知：2C （s）＋O₂ （g）＝2CO （g）；△H₁＝–221．0 kJ mol^–1

2H₂ （g）＋O₂ （g）＝2H₂O （g）；△H₂＝–483．6 kJ mol^–1

则煤气化反应的△H＝________。

②煤气化反应的平衡常数表达式K＝________，温度升高，平衡常数________。

（2）水煤气可以合成甲醇：CO（g）＋2H₂（g）CH₃OH（g）。一定条件下，向体积为1 L的密闭容器中充入1 mol CO和3 mol H₂，反应达到平衡状态时，CO的平衡转化率为75%。

①从反应开始到平衡，H₂的平均反应速率υ（H₂）＝________。

②反应达平衡后充入适量氢气并维持H₂浓度和容器的温度不变，增大容器的体积，跟原平衡相比较达到新平衡时CO的转化率________（填“增大”、“不变”或“减小”），其原因是________。

③将3.2 g甲醇充分燃烧后的产物通入75 mL2 mol/L的NaOH溶液，所得溶液中离子浓度大小顺序为________。

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淮南是我国重要的煤炭生产基地，通过煤的气化和液化，能使煤炭得以更广泛的应用。

I．工业上先将煤转化为CO，再利用CO和水蒸气反应制H2时，存在以下平衡：

CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

（1）向2L恒容密闭容器中充入CO和H2O（g），800℃时测得部分数据如下表。

则从反应开始到2min时，用H2表示的反应速率为_________________；该温度下反应的平衡常数K=___________________（小数点后保留1位有效数字）。

（2）相同条件下，向2L恒容密闭容器中充入1molCO、3mol H2O（g）、2molCO2（g）、2mo1 H2（g），此时v正________v逆（填“>” “<” 或 “=”）。

Ⅱ.一定条件下用CO和H2合成CH3OH：CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）△H=﹣105kJ•mol﹣1．向体积为2L的密闭容器中充入2mol CO和4mol H2，测得不同温度下容器内的压强（P：kPa）随时间（min）的变化关系如右图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲线所示：

（1）Ⅱ和Ⅰ相比，改变的反应条件是______．

（2）反应Ⅰ在6min时达到平衡，在此条件下从反应开始到达到平衡时v（CH3OH）=______．

（3）反应Ⅱ在2min时达到平衡，平衡常数K（Ⅱ）=______．

（4）比较反应Ⅰ的温度（T1）和反应Ⅲ的温度（T3）的高低：T1_____T3（填“＞”“＜”“=”），判断的理由是_________________________________________________________．

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煤和甲烷既是重要的常用燃料，又是重要的化工原料。根据题意，回答下列问题：

I.煤制天然气过程中，存在多种化学反应，其中在煤气化装置中发生反应①：C(s) + H2O(g)=CO(g) + H2(g) ∆H = +135 kJ • mol-1 ，而在水气变换装置中发生反应②：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+ H2(g) ∆H =-41 kJ • mol-1

(1)煤气化前，需要通入一定量的氧气与碳发生燃烧反应，请利用平衡移动原理说明通入氧气的作用：_____________________

(2)写岀碳和二氧化碳反应生成一氧化碳的热化学方程式_____。

(3)如图表示发生反应①后进入反应②装置的n( H2O)/n(CO)与反应②中CO平衡转化率、温度的变化关系。

若n(H2O)/n(CO)为0.8，一定量的煤和水蒸气经反应①和反应②后，得到CO与H2的 物质的量之比为1:3，则反应②所对应的温度是_____(填“T1”、“T2”或“T3”)。

Ⅱ.甲烷重整技术主要是利用甲烷和其他原料来制备合成气(CO和h2混合气体)。现在常(见的重整技术有甲烷——二氧化碳重整、甲烷——水蒸气重整，其反应分别为CH4(g)+3CO2(g)⇌2H2O(g)+4CO(g)；CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)

(4)甲烷——二氧化碳重整的催化转化原理如图所示：

①过程(二)实现了含氢物种与含碳物种的分离，写出生成H2O(g)的化学方程式：______

②假设过程(一)和过程(二)中各步反应均转化完全，则下列说法正确的是_____ (填序号)。

a.过程(一)和过程(二)中均含有氧化还原反应

b.过程(二)中使用的催化剂为Fe3O4和CaCO3

C.若过程(一)投料比，可导致过程(二)中催化剂失效

(5)通过计算机模拟甲烷——水蒸气重整实验测得，在操作压强为0.1Mpa、水碳比n(H2O)/n(CH4)为1.0，温度为900℃，反应达到平衡时，H2的物质的量分数为0.6。已知该反应的速率方程v=kP(CH4)·P-1(H2)，式中k为速率常数，P为气体分压，气体分压=总压×气体物质的量分数，则此时该反应速率v=_____(用含k的式子表示)；900℃时，该反应的压强平衡常数Kp=_____(用平衡分压代替平衡浓度计算)。

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甲醇（CH3OH）的合成与应用具有广阔的发展前景。

Ⅰ．合成甲醇的部分工艺流程如下：

（1）甲烷与水蒸气反应制备合成甲醇的原料气CO、CO2和H2。CH4(g)＋H2O(g)＝CO(g)＋3H2(g) 、∆H ＝＋206.2 kJ·mol－1，CO(g) + H2O(g) ＝CO2(g) + H2(g)∆H ＝˗41.0 kJ·mol－1，甲烷与水蒸气反应生成CO2和H2的热化学方程式为________。

（2）在催化剂的作用下，200~300℃时，合成反应器内发生反应：ⅰ. CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)∆H＜0，ⅱ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)∆H＜0。

①一段时间内，记录合成反应器出、入口样品的温度，数据如图所示。曲线_________是合成反应器出口样品的温度。

②如果你是工程师，请对合成反应器中压强的控制提出建议并说明理由：_______。合成反应器中有少量的副反应，会生成二甲醚（CH3OCH3）、甲酸甲酯等。已知沸点：甲醇 64.7℃；二甲醚 -24.9℃；甲酸甲酯32.0℃。

③CO和H2生成二甲醚的化学方程式是_________。

④从合成反应器出来的产品经分离提纯可以得到甲醇，请简述该方法_______。

Ⅱ．下图为甲醇燃料电池的示意图。

（3）①负极的电极反应式是_______。

②质子交换膜材料的合成是燃料电池的核心技术。我国科研人员研发的一种质子交换膜材料的结构片段如下，它由三种单体缩聚而成。

已知：ROH + R’Cl → R—O—R’ + HCl，单体的结构简式是：　 、 _____、___。

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我省煤资源丰富，通过煤的气化和液化，能使煤炭得以更广泛的应用．

Ⅰ．工业上先将煤转化为CO，再利用CO和水蒸气反应制H2时，存在以下平衡：

CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

（1）向2L恒容密闭容器中充入CO和H2O（g），800℃时测得部分数据如下表．

则从反应开始到2min时，用H2表示的反应速率为　　 　　　　　 ；该温度下反应的平衡常数K=　 　　 　　 （小数点后保留1位有效数字）．

（2）相同条件下，向2L恒容密闭容器中充入1molCO、3mol H2O（g）、2molCO2（g）、2mo1H2（g），此时v正　　 　　 　　 v逆（填“＞”“＜”或“=”）．

Ⅱ．已知CO（g）、H2（g）、CH3OH（l）的燃烧热分别为283kJ•mol﹣1、286kJ•mol﹣1、726 kJ•mol﹣1．

（3）利用CO、H2合成液态甲醇的热化学方程式为　　　 　　 ．

（4）依据化学反应原理，分析升高温度对制备甲醇反应的影响　　　 　　 ．

Ⅲ．为摆脱对石油的过度依赖，科研人员将煤液化制备汽油，并设计了汽油燃料电池，电池工作原理如右图所示：一个电极通入氧气，另一电极通入汽油蒸气，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2﹣．

（5）以己烷（C6H14）代表汽油，写出该电池工作时的负极反应方程式　 　　　　　　　　　　 　　 ．

（6）用该电池电解1L饱和食盐水，当固体电解质中有0.05mol O2-发生迁移时，理论上，被电解的食盐水的pH=_______(忽略电解过程中溶液体积变化)

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煤制合成天然气是煤气化的一种重要方法，其工艺核心是合成过程中的甲烷化，涉及的主要反应：

CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g) ΔH<0 ①

CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ΔH<0 ②

现在300 ℃、容积为2 L的密闭容器中进行有关合成天然气的实验，相关数据记录如下：

下列有关说法错误的是

A．a=30，b=1.5

B．c=25，d=4.5

C．前30 min内，反应①的平均反应速率v(CH4)=0.05 mol·L−1·min−1

D．后40 min内，反应②的平均反应速率v(H2)=0.025 mol·L−1·min−1

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硝酸的工业制备包括氨的合成、氨的催化氧化及硝酸的浓缩等过程．完成下列计算：

（1）采用甲烷的二次转化法可以制备氢气．

第一次转化的化学方程式：CH4+H2O→CO+3H2；

第二次转化的化学方程式：2CO+CH4+2O2→3CO2+2H2；2CO+O2→2CO2．

现有标准状况下1m3的甲烷，若第一次转化80%，第二次转化20%，经过二次完全转化后可以得到H2__mol．

（2）用饱和K2CO3溶液吸收上述混合气体中的CO2以得到纯净的氢气．处理上述的CO2至少需要饱和K2CO3溶液____g．（已知：20℃K2CO3溶解度：110g/100g水）

（3）已知NH3+2O2→HNO3+H2O．现有氨气1.7吨，不补充水，理论上可制得硝酸的浓度为___%；在该硝酸中加入__吨水最终可得50%的硝酸．

（4）工业上常用98%的浓H2SO4作为制取浓HNO3的脱水剂．63.5%HNO3（质量为M1）中加98%的浓H2SO4（质量为M2）后蒸馏．分别得到97.7%的HNO3和49%的H2SO4溶液（不含HNO3）．

①若蒸馏过程中HNO3、H2SO4、H2O均无损耗，求蒸馏前的投料比的值__（列式计算）．

②蒸馏过程中，若H2O的损耗占总质量的5.0%，即有（M1+M2）×5.0%的H2O流失．则投料时，比值如何变化，请列式计算说明__．

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硝酸的工业制备包括氨的合成、氨的催化氧化及硝酸的浓缩等过程．完成下列计算：

（1）采用甲烷的二次转化法可以制备氢气．

第一次转化的化学方程式：CH4+H2O→CO+3H2；

第二次转化的化学方程式：2CO+CH4+2O2→3CO2+2H2；2CO+O2→2CO2．

现有标准状况下1m3的甲烷，若第一次转化80%，第二次转化20%，经过二次完全转化后可以得到H2__mol．

（2）用饱和K2CO3溶液吸收上述混合气体中的CO2以得到纯净的氢气．处理上述的CO2至少需要饱和K2CO3溶液____g．（已知：20℃K2CO3溶解度：110g/100g水）

（3）已知NH3+2O2→HNO3+H2O．现有氨气1.7吨，不补充水，理论上可制得硝酸的浓度为___%；在该硝酸中加入__吨水最终可得50%的硝酸．

（4）工业上常用98%的浓H2SO4作为制取浓HNO3的脱水剂．63.5%HNO3（质量为M1）中加98%的浓H2SO4（质量为M2）后蒸馏．分别得到97.7%的HNO3和49%的H2SO4溶液（不含HNO3）．

①若蒸馏过程中HNO3、H2SO4、H2O均无损耗，求蒸馏前的投料比的值__（列式计算）．

②蒸馏过程中，若H2O的损耗占总质量的5.0%，即有（M1+M2）×5.0%的H2O流失．则投料时，比值如何变化，请列式计算说明__．

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