Question

20．氫氣是一種清潔、高效的新型能源．
I．用甲烷制取氫氣的反應(yīng)分為兩步，其能量變化如圖1所示

（1）甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1．
Ⅱ．在容積為1L的密閉容器內(nèi)，加入0.1molCO和0.1molH₂O，在催化劑存在的條件下高溫加熱發(fā)生反應(yīng)：CO+H₂O （g）?CO₂+H₂△H＞0，測得CO₂的濃度隨時間變化的圖象如圖2：
（2）在該溫度下，從反應(yīng)開始至達(dá)到平衡時，CO的平均反應(yīng)速率為0.003 mol•L^-1•min^-1；
（3）該溫度下，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為（可以用分?jǐn)?shù)表示）$\frac{9}{49}$；
（4）下列改變中，能使平衡向正反應(yīng)方向移動的是CD．
A．降低溫度   B．增大壓強C．增大H₂O（g）的濃度D．減少CO₂（g）的濃度
（5）保持溫度不變，若起始時c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，反應(yīng)進(jìn)行一段時間后，測得H₂的濃度為0.4mol•L^-1．通過計算，判斷此時該反應(yīng)進(jìn)行的方向并說明理由．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律來計算反應(yīng)的焓變，根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)律來書寫熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算二氧化碳的平均反應(yīng)速率，再結(jié)合同一時間段內(nèi)同一可逆反應(yīng)中，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計量數(shù)之比計算一氧化碳的平均反應(yīng)速率；
（3）根據(jù)平衡常數(shù)指各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值進(jìn)行解答；
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1，該反應(yīng)升高溫度逆向移動，前后氣體的物質(zhì)的量不變，壓強變化不影響平衡移動，增加反應(yīng)物濃度正向移動，減少生成物濃度正向移動；
（5）該溫度下，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為$\frac{9}{49}$，根據(jù)濃度商Q_c=$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$與平衡常數(shù)K大小分析判斷，Q_c＜K，平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，Q_c＞K，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，Q_c═K，達(dá)平衡．

解答 解：（1）根據(jù)第一步反應(yīng)過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3kJ•mol^-1；根據(jù)第二步反應(yīng)過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1；根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1；
（2）根據(jù)第二步反應(yīng)過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1；v（CO₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.03mol/L}{10min}$=0.003mol/（L．min），根據(jù)同一時間段內(nèi)同一可逆反應(yīng)中，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計量數(shù)之比計算一氧化碳的平均反應(yīng)速率，所以v（CO）=v（CO₂）=0.003mol/（L．min），
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
（3）利用三段式法計算，
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：0.1 mol•L^-1 0.1 mol•L^-1 0 0
轉(zhuǎn)化：0.03 mol•L^-1 0.03 mol•L^-1 0.03 mol•L^-1 0.03 mol•L^-1
平衡：0.07 mol•L^-1 0.07 mol•L^-1 0.03 mol•L^-1 0.03 mol•L^-1
因平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，所以K=$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.03×0.03}{0.07×0.07}$=$\frac{9}{49}$，
故答案為：$\frac{9}{49}$；
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1，
A．升高溫度單位體積內(nèi)活化分子數(shù)目增多，反應(yīng)速率增大，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，該反應(yīng)逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以平衡逆向移動，故A錯誤；
B．該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，壓強變化不影響平衡移動，故B錯誤；
C．水為反應(yīng)物，增大H₂O（g）的濃度，反應(yīng)速率增大，平衡向降低H₂O（g）濃度的方向移動，所以平衡正向移動，故C正確；
D．CO₂（g）為生成物，減少CO₂（g）的濃度，平衡向減弱CO₂（g）濃度降低的方向移動，所以平衡正向移動，故D正確；
故答案為：CD；
（5）利用三段式法計算，
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1 mol•L^-1 2 mol•L^-1 0 0
轉(zhuǎn)化：0.4 mol•L^-1 0.4mol•L^-1 0.4 mol•L^-1 0.4 mol•L^-1
平衡：0.6 mol•L^-1 1.6 mol•L^-1 0.4 mol•L^-1 0.4 mol•L^-1
濃度商Q_c═$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.6×1.6}$=$\frac{1}{6}$＜K，平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，v（正）＞v（逆），
故答案為：正方向，Q_c═$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.4×0.4}{0.6×1.6}$=$\frac{1}{6}$＜K，所以該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行．

點評 本題考查反應(yīng)速率的計算、化學(xué)平衡有關(guān)計算、化學(xué)平衡移動與影響因素等，注意平衡常數(shù)的應(yīng)用、平衡移動的本質(zhì)是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．