Question

合成氣（CO和H₂）是重要的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用．
（1）工業(yè)上用甲烷和水蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應制備合成氣（CO和H₂），4g甲烷完全反應吸收51.5KJ熱量，寫該反應的熱化學方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol

（2）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1，由反應（1）制備的合成氣10m³（已折成標況），完全燃燒所提供的能量為

1.125×10⁵

kJ
（3）工業(yè)上常用合成氣來冶煉金屬，其中CO還原氧化鐵來冶煉生鐵方程式如下：
3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反應在體積不變的密閉容器中發(fā)生，當反應達到平衡時，

AD

．
A．容器中Fe₂O₃的質量不隨時間而變化     B．反應物不再轉化為生成物
C．n （CO）：n （CO₂）=1：1                D．容器中氣體的壓強不隨時間而變化
②在一個容積為4L的密閉容器中，1000℃時加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反應2分鐘后達到平衡，測得此時容器內(nèi)氣體的密度為40g/L，求該時間范圍內(nèi)反應的平均反應速率υ（CO₂）=

0.375mol/L?min

、CO的平衡轉化率=

75%

、該反應的化學平衡常數(shù)K=

27

．
③如果在3分鐘時向②的平衡體系中再加入2mol CO（g），其它條件不變，經(jīng)過2分鐘反應又達到平衡．請畫出②、③c（CO）、c（CO₂） 隨時間變化的圖象．

Answer 1

分析：（1）依據(jù)題干條件計算4g甲烷物質的量，完全反應吸收51.5KJ熱量，結合反應產(chǎn)物寫出熱化學方程式，注意物質的聚集狀態(tài)和對應物質的量下的反應焓變計算；
（2依據(jù)蓋斯定律結合熱化學方程式計算得到一氧化碳和氫氣燃燒放出的熱量；
（3）①依據(jù)化學平衡的標志分析判斷，實質是正逆反應速率相等；
②依據(jù)化學平衡的三段式列式計算；反應速率的概念、轉化率概念、化學平衡常數(shù)概念，的計算應用；
③依據(jù)一氧化碳和二氧化碳隨反應進行變化的量和平衡量分析畫出；

解答：解：（1）4g甲烷完全反應吸收51.5KJ熱量，16g甲烷和水反應吸收熱量為206KJ；反應的熱化學方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1；
②CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
依據(jù)蓋斯定律，①-②得到：CO（g）+3H₂（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1008KJ/mol；
合成氣10m³物質的量=

104L

22.4L/mol

=

104

22.4

mol，結合熱化學方程式可知，4mol一氧化碳和氫氣完全燃燒放熱放熱1008KJ，所以

104

22.4

mol，混合氣體完全燃燒放出的熱量=

104 22.4 ×1008

4

=1.125×10⁵KJ；
故答案為：1.125×10⁵KJ；
（3）3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反應在體積不變的密閉容器中發(fā)生，當反應達到平衡時：
A、容器中Fe₂O₃的質量不隨時間而變化，說明反應達到平衡，故A符合；
B、平衡時，正逆反應都進行只是正反應速率和逆反應速率相同，故B不符合；
C、一氧化碳和二氧化碳的物質的量之比和起始量有關，n （CO）：n （CO₂）不一定為1：1，故C不符合；
D、反應是氣體體積不變的反應，平衡時容器中氣體的壓強不隨時間而變化，故D正確；
故答案為：AD；
②在一個容積為4L的密閉容器中，1000℃時加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反應2分鐘后達到平衡，測得此時容器內(nèi)氣體的密度為40g/L，設反應的一氧化碳物質的量為x：
                  3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）
起始量（mol）     4                     0
變化量（mol）     x                     x
平衡量（mol）    4-x                    x
容器內(nèi)氣體的密度為40g/L：

(4-x)×28g/mol+x×44g/mol

4

=40g/L計算得到x=3mol；
該時間范圍內(nèi)反應的平均反應速率υ（CO₂）=

3mol 4L

2min

=0.375mol/L；
CO的平衡轉化率=

3mol

4mol

×100%=75%
該反應的化學平衡常數(shù)K=

[CO2]3

[CO]3

=

( 3 4 )3

( 1 4 )3

=27；
故答案為：0.375mol/L  75%   27；
③起始量一氧化碳得到濃度為1mol/L；平衡時一氧化碳濃度為0.25mol/L；二氧化碳平衡濃度為0.75mol/L；如果在3分鐘時向②的平衡體系中再加入2mol CO（g），其它條件不變，經(jīng)過2分鐘反應又達到平衡；平衡后一氧化碳轉化率不變?yōu)?5%，所以平衡后一氧化碳濃度為0，375mol/L；二氧化碳平衡濃度為1.125mol/L；結合時間畫出圖象為：


故答案為：

點評：本題考查了熱化學方程式的書寫，蓋斯定律的計算應用，化學平衡的特征分析，化學平衡的三段式計算，反應速率，轉化率，化學平衡常數(shù)的概念應用，平衡圖象的數(shù)值計算和畫法，題目難度大．