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8. (2025·宿迁)我国科学家发明了一种甲烷催化制取氢气的工艺。通入的甲烷和水蒸气在高温和催化剂作用下反应生成一氧化碳和氢气。其转化流程如下图所示。
(1) 甲烷和水蒸气反应制氢气的化学方程式为
(2) 在理想状态下,小组同学设计了图1的实验,将测得的实验数据绘制成图像(图2),由图2可得,氢气作为燃料的优点是
(3) 2023年,我国首次掺氢天然气(在天然气中掺入氢气)管道燃爆试验成功,掺氢天然气能改善天然气的品质。某掺氢天然气(假设该混合气体仅含$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}}$)中氢元素质量分数为50%,则混合气体完全燃烧后生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的分子个数比为
整数比)。
(4) 氢气储运成本较高,原因之一是氢气易逸散,对储运容器密封性要求极高。从微观粒子视角分析,氢气易逸散的原因是
(1) 甲烷和水蒸气反应制氢气的化学方程式为
$\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$
。(2) 在理想状态下,小组同学设计了图1的实验,将测得的实验数据绘制成图像(图2),由图2可得,氢气作为燃料的优点是
燃烧热值高
。从安全角度考虑,点燃两种气体前,一定要检查其纯度
。(3) 2023年,我国首次掺氢天然气(在天然气中掺入氢气)管道燃爆试验成功,掺氢天然气能改善天然气的品质。某掺氢天然气(假设该混合气体仅含$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}}$)中氢元素质量分数为50%,则混合气体完全燃烧后生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的分子个数比为
1:6
(填最简整数比)。整数比)。
(4) 氢气储运成本较高,原因之一是氢气易逸散,对储运容器密封性要求极高。从微观粒子视角分析,氢气易逸散的原因是
氢气分子质量小、运动速率快
。答案
(1) $\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$
(2) 燃烧热值高 纯度
(3) 1:6
(4) 氢气分子质量小、运动速率快
提示:(2) 由图可知,等质量燃料,氢气燃烧加热水的温度更高,即放出的热量更多,热值更高。可燃性气体在点燃前必须进行验纯,以防爆炸。(3) 设该混合气体的质量为m,其中氢元素质量分数为50%,则氢元素的质量为50%×m=0.5m,由于该混合气体仅含$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}}$,则混合气体中碳元素的质量为(1-50%)×m=0.5m,根据质量守恒定律可知,反应前后元素的质量不变,则生成二氧化碳的质量为$\dfrac{0.5m}{\dfrac{12}{44}×100\%}=\dfrac{11m}{6}$,生成水的质量为$\dfrac{0.5m}{\dfrac{2}{18}×100\%}=\dfrac{9m}{2}$,则混合气体完全燃烧后生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的分子个数比为$\dfrac{\dfrac{11m}{6}}{44}:\dfrac{\dfrac{9m}{2}}{18}=1:6$。
(4) 氢气是由分子构成的物质,微观粒子的运动速率与其分子质量有关:分子质量越小,在相同温度下分子运动速率越快;氢气是常见气体中相对分子质量最小的,因此氢气分子在常温下具有较高的运动速率,能够更快地通过容器缝隙逸散。
(2) 燃烧热值高 纯度
(3) 1:6
(4) 氢气分子质量小、运动速率快
提示:(2) 由图可知,等质量燃料,氢气燃烧加热水的温度更高,即放出的热量更多,热值更高。可燃性气体在点燃前必须进行验纯,以防爆炸。(3) 设该混合气体的质量为m,其中氢元素质量分数为50%,则氢元素的质量为50%×m=0.5m,由于该混合气体仅含$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}}$,则混合气体中碳元素的质量为(1-50%)×m=0.5m,根据质量守恒定律可知,反应前后元素的质量不变,则生成二氧化碳的质量为$\dfrac{0.5m}{\dfrac{12}{44}×100\%}=\dfrac{11m}{6}$,生成水的质量为$\dfrac{0.5m}{\dfrac{2}{18}×100\%}=\dfrac{9m}{2}$,则混合气体完全燃烧后生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的分子个数比为$\dfrac{\dfrac{11m}{6}}{44}:\dfrac{\dfrac{9m}{2}}{18}=1:6$。
(4) 氢气是由分子构成的物质,微观粒子的运动速率与其分子质量有关:分子质量越小,在相同温度下分子运动速率越快;氢气是常见气体中相对分子质量最小的,因此氢气分子在常温下具有较高的运动速率,能够更快地通过容器缝隙逸散。
解析
【分析】
1. 第(1)问：根据题目给出的反应物（甲烷、水蒸气）、生成物（一氧化碳、氢气）及反应条件（高温、催化剂），结合原子守恒配平化学方程式。
2. 第(2)问：从图像对比等质量燃料燃烧的放热情况，得出氢气作为燃料的优点；可燃性气体点燃前需防止爆炸，因此要验纯。
3. 第(3)问：利用质量守恒定律，混合气体中碳元素全部转化为二氧化碳的碳，氢元素全部转化为水的氢，通过计算碳、氢元素质量，再结合化学式计算二氧化碳和水的质量，最后根据分子个数比等于物质的量之比求解。
4. 第(4)问：从微观粒子特性出发，氢气由氢分子构成，结合分子质量与运动速率的关系分析逸散原因。
【解析】
(1) 甲烷和水蒸气（气态）在高温、催化剂作用下反应，生成一氧化碳和氢气，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$。
(2) 由图2可知，等质量的氢气燃烧放出的热量更多，因此氢气作为燃料的优点是燃烧热值高；可燃性气体与空气混合点燃易爆炸，所以点燃前一定要检查其纯度。
(3) 设混合气体质量为$m$，氢元素质量为$0.5m$，碳元素质量为$0.5m$。根据质量守恒：
二氧化碳质量 = 碳元素质量 ÷ $\ce{CO_{2}}$中碳的质量分数 = $0.5m ÷ \dfrac{12}{44} = \dfrac{11m}{6}$；
水的质量 = 氢元素质量 ÷ $\ce{H_{2}O}$中氢的质量分数 = $0.5m ÷ \dfrac{2}{18} = \dfrac{9m}{2}$；
分子个数比 = $\dfrac{\dfrac{11m}{6}}{44} : \dfrac{\dfrac{9m}{2}}{18} = 1:6$。
(4) 氢气由氢分子构成，氢分子相对分子质量小，运动速率快，因此易逸散。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$
(2) 燃烧热值高；纯度
(3) $1:6$
(4) 氢气分子质量小、运动速率快
【知识点】
化学方程式书写、质量守恒定律、分子的性质
【点评】
本题结合实际应用考查基础化学知识，涵盖方程式书写、氢气性质、元素守恒计算及微观粒子特性，需学生将理论与实际结合，计算部分需理清元素守恒的核心思路，整体注重知识点的灵活运用。
【难度系数】
0.6
1. 第(1)问：根据题目给出的反应物（甲烷、水蒸气）、生成物（一氧化碳、氢气）及反应条件（高温、催化剂），结合原子守恒配平化学方程式。
2. 第(2)问：从图像对比等质量燃料燃烧的放热情况，得出氢气作为燃料的优点；可燃性气体点燃前需防止爆炸，因此要验纯。
3. 第(3)问：利用质量守恒定律，混合气体中碳元素全部转化为二氧化碳的碳，氢元素全部转化为水的氢，通过计算碳、氢元素质量，再结合化学式计算二氧化碳和水的质量，最后根据分子个数比等于物质的量之比求解。
4. 第(4)问：从微观粒子特性出发，氢气由氢分子构成，结合分子质量与运动速率的关系分析逸散原因。
【解析】
(1) 甲烷和水蒸气（气态）在高温、催化剂作用下反应，生成一氧化碳和氢气，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$。
(2) 由图2可知，等质量的氢气燃烧放出的热量更多，因此氢气作为燃料的优点是燃烧热值高；可燃性气体与空气混合点燃易爆炸，所以点燃前一定要检查其纯度。
(3) 设混合气体质量为$m$，氢元素质量为$0.5m$，碳元素质量为$0.5m$。根据质量守恒：
二氧化碳质量 = 碳元素质量 ÷ $\ce{CO_{2}}$中碳的质量分数 = $0.5m ÷ \dfrac{12}{44} = \dfrac{11m}{6}$；
水的质量 = 氢元素质量 ÷ $\ce{H_{2}O}$中氢的质量分数 = $0.5m ÷ \dfrac{2}{18} = \dfrac{9m}{2}$；
分子个数比 = $\dfrac{\dfrac{11m}{6}}{44} : \dfrac{\dfrac{9m}{2}}{18} = 1:6$。
(4) 氢气由氢分子构成，氢分子相对分子质量小，运动速率快，因此易逸散。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + H_{2}O(g)\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$
(2) 燃烧热值高；纯度
(3) $1:6$
(4) 氢气分子质量小、运动速率快
【知识点】
化学方程式书写、质量守恒定律、分子的性质
【点评】
本题结合实际应用考查基础化学知识，涵盖方程式书写、氢气性质、元素守恒计算及微观粒子特性，需学生将理论与实际结合，计算部分需理清元素守恒的核心思路，整体注重知识点的灵活运用。
【难度系数】
0.6
9. 节约能源、保护环境、低碳生活是全社会应该倡导的生活方式。
（1）下列物质都可以用来作为燃料：①煤；②氢气；③石油；④天然气。其中属于新能源的燃料是
（2）充分燃烧1 000 g天然气和煤所产生的$\ce{CO_{2}}$和$\ce{SO_{2}}$气体的质量如图所示，根据图示分析，下列说法正确的是
A. 煤燃烧产生的气体更易导致酸雨
B. 该天然气中不含硫元素
C. 煤燃烧对环境影响较小
D. 煤和天然气燃烧都有温室气体产生
（3）硫酸型酸雨的形成主要经过以下两步：①$\ce{SO_{2}}$在空气中被粉尘催化氧化得到$\ce{SO_{3}}$；②$\ce{SO_{3}}$与水化合形成硫酸。其中反应②的化学方程式为
（4）丙醇（化学式为$\ce{C_{3}H_{8}O}$）是一种清洁燃料，它在一定量的氧气中燃烧的化学方程式为$\ce{C_{3}H_{8}O + 4O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}} 4H_{2}O + 2CO_{2} + X}$，生成物X的化学式为
（1）下列物质都可以用来作为燃料：①煤；②氢气；③石油；④天然气。其中属于新能源的燃料是
②
（填序号）。（2）充分燃烧1 000 g天然气和煤所产生的$\ce{CO_{2}}$和$\ce{SO_{2}}$气体的质量如图所示，根据图示分析，下列说法正确的是
AD
（填字母）。A. 煤燃烧产生的气体更易导致酸雨
B. 该天然气中不含硫元素
C. 煤燃烧对环境影响较小
D. 煤和天然气燃烧都有温室气体产生
（3）硫酸型酸雨的形成主要经过以下两步：①$\ce{SO_{2}}$在空气中被粉尘催化氧化得到$\ce{SO_{3}}$；②$\ce{SO_{3}}$与水化合形成硫酸。其中反应②的化学方程式为
$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$
。（4）丙醇（化学式为$\ce{C_{3}H_{8}O}$）是一种清洁燃料，它在一定量的氧气中燃烧的化学方程式为$\ce{C_{3}H_{8}O + 4O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}} 4H_{2}O + 2CO_{2} + X}$，生成物X的化学式为
CO
。要使6.0 g丙醇燃烧时不生成X，则消耗氧气的质量至少为14.4
g。答案
(1) ② (2) AD (3) $\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$ (4) CO 14.4
提示:(2) 根据图示可知,煤燃烧产生的二氧化硫更多,更易导致酸雨;天然气燃烧有少量的二氧化硫生成,根据质量守恒定律可知,该天然气中含有硫元素;煤和天然气的燃烧产物都有温室气体二氧化碳。(4) 设6.0 g丙醇($\ce{C_{3}H_{8}O}$)完全燃烧需要氧气的质量为x。
$\ce{2C_{3}H_{8}O + 9O_{2}\xlongequal{点燃}6CO_{2} + 8H_{2}O}$
120 288
6.0 g x
$\dfrac{120}{288}=\dfrac{6.0\ \mathrm{g}}{x}$
解得:$x=14.4\ \mathrm{g}$
提示:(2) 根据图示可知,煤燃烧产生的二氧化硫更多,更易导致酸雨;天然气燃烧有少量的二氧化硫生成,根据质量守恒定律可知,该天然气中含有硫元素;煤和天然气的燃烧产物都有温室气体二氧化碳。(4) 设6.0 g丙醇($\ce{C_{3}H_{8}O}$)完全燃烧需要氧气的质量为x。
$\ce{2C_{3}H_{8}O + 9O_{2}\xlongequal{点燃}6CO_{2} + 8H_{2}O}$
120 288
6.0 g x
$\dfrac{120}{288}=\dfrac{6.0\ \mathrm{g}}{x}$
解得:$x=14.4\ \mathrm{g}$
解析
【分析】
本题围绕能源与环境、化学方程式及质量守恒定律展开，需结合化石能源与新能源的分类、图示数据分析、化学方程式书写、质量守恒定律及化学计算逐一解决各小问：
1. 第(1)问：明确化石能源（煤、石油、天然气）与新能源（氢气）的分类，选出新能源燃料；
2. 第(2)问：分析图示中煤和天然气燃烧产生的CO₂、SO₂质量，结合酸雨成因、温室气体等知识点判断选项；
3. 第(3)问：根据反应物SO₃和H₂O，生成物硫酸，书写化合反应的化学方程式；
4. 第(4)问：利用质量守恒定律，反应前后原子种类、数目不变确定X的化学式；再通过丙醇完全燃烧的化学方程式，结合化学计算求出所需氧气质量。
【解析】
(1) 化石能源包括煤、石油、天然气，属于不可再生能源；氢气是清洁的新能源燃料，故填②。
(2) 分析图示：
A选项：煤燃烧产生的SO₂质量远大于天然气，SO₂是形成酸雨的主要气体，因此煤燃烧更易导致酸雨，A正确；
B选项：天然气燃烧产生少量SO₂，根据质量守恒定律，反应前后元素种类不变，说明天然气中含硫元素，B错误；
C选项：煤燃烧产生更多CO₂（温室气体）和SO₂（污染气体），对环境影响更大，C错误；
D选项：煤和天然气燃烧都生成CO₂，CO₂是温室气体，故都有温室气体产生，D正确；因此选AD。
(3) SO₃与水化合生成硫酸，化学方程式为：$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$。
(4) 确定X的化学式：根据质量守恒定律，反应前后原子数目不变，反应前：C原子3个、H原子8个、O原子1（丙醇）+4×2（氧气）=9个；反应后现有：H原子8个（4H₂O）、C原子2个（2CO₂）、O原子4×1 +2×2=8个，因此X中含1个C原子和1个O原子，化学式为CO；
计算氧气质量：丙醇完全燃烧的化学方程式为$\ce{2C_{3}H_{8}O + 9O_{2}\xlongequal{点燃} 6CO_{2} + 8H_{2}O}$，设6.0g丙醇完全燃烧需氧气质量为x。
丙醇的相对分子质量：$12×3 + 8×1 +16=60$，则2个丙醇的质量为$2×60=120$，对应氧气质量为$9×32=288$；
列比例式：$\frac{120}{288}=\frac{6.0g}{x}$，解得$x=14.4g$。
【答案】
(1) ② (2) AD (3) $\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$ (4) CO；14.4
【知识点】
化石能源与新能源、化学方程式书写、质量守恒定律、化学计算
【点评】
本题综合考查能源分类、环境与燃料的关系、化学方程式及质量守恒的应用，是化学学科中能源与环境模块的典型基础题，需准确分析图示信息，熟练运用化学基本定律和计算方法。
【难度系数】
0.5
本题围绕能源与环境、化学方程式及质量守恒定律展开，需结合化石能源与新能源的分类、图示数据分析、化学方程式书写、质量守恒定律及化学计算逐一解决各小问：
1. 第(1)问：明确化石能源（煤、石油、天然气）与新能源（氢气）的分类，选出新能源燃料；
2. 第(2)问：分析图示中煤和天然气燃烧产生的CO₂、SO₂质量，结合酸雨成因、温室气体等知识点判断选项；
3. 第(3)问：根据反应物SO₃和H₂O，生成物硫酸，书写化合反应的化学方程式；
4. 第(4)问：利用质量守恒定律，反应前后原子种类、数目不变确定X的化学式；再通过丙醇完全燃烧的化学方程式，结合化学计算求出所需氧气质量。
【解析】
(1) 化石能源包括煤、石油、天然气，属于不可再生能源；氢气是清洁的新能源燃料，故填②。
(2) 分析图示：
A选项：煤燃烧产生的SO₂质量远大于天然气，SO₂是形成酸雨的主要气体，因此煤燃烧更易导致酸雨，A正确；
B选项：天然气燃烧产生少量SO₂，根据质量守恒定律，反应前后元素种类不变，说明天然气中含硫元素，B错误；
C选项：煤燃烧产生更多CO₂（温室气体）和SO₂（污染气体），对环境影响更大，C错误；
D选项：煤和天然气燃烧都生成CO₂，CO₂是温室气体，故都有温室气体产生，D正确；因此选AD。
(3) SO₃与水化合生成硫酸，化学方程式为：$\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$。
(4) 确定X的化学式：根据质量守恒定律，反应前后原子数目不变，反应前：C原子3个、H原子8个、O原子1（丙醇）+4×2（氧气）=9个；反应后现有：H原子8个（4H₂O）、C原子2个（2CO₂）、O原子4×1 +2×2=8个，因此X中含1个C原子和1个O原子，化学式为CO；
计算氧气质量：丙醇完全燃烧的化学方程式为$\ce{2C_{3}H_{8}O + 9O_{2}\xlongequal{点燃} 6CO_{2} + 8H_{2}O}$，设6.0g丙醇完全燃烧需氧气质量为x。
丙醇的相对分子质量：$12×3 + 8×1 +16=60$，则2个丙醇的质量为$2×60=120$，对应氧气质量为$9×32=288$；
列比例式：$\frac{120}{288}=\frac{6.0g}{x}$，解得$x=14.4g$。
【答案】
(1) ② (2) AD (3) $\ce{SO_{3} + H_{2}O = H_{2}SO_{4}}$ (4) CO；14.4
【知识点】
化石能源与新能源、化学方程式书写、质量守恒定律、化学计算
【点评】
本题综合考查能源分类、环境与燃料的关系、化学方程式及质量守恒的应用，是化学学科中能源与环境模块的典型基础题，需准确分析图示信息，熟练运用化学基本定律和计算方法。
【难度系数】
0.5
