Question

20．氢气是一种清洁、高效的新型能源．
I．用甲烷制取氢气的反应分为两步，其能量变化如图1所示

（1）甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1．
Ⅱ．在容积为1L的密闭容器内，加入0.1molCO和0.1molH₂O，在催化剂存在的条件下高温加热发生反应：CO+H₂O （g）?CO₂+H₂△H＞0，测得CO₂的浓度随时间变化的图象如图2：
（2）在该温度下，从反应开始至达到平衡时，CO的平均反应速率为0.003 mol•L^-1•min^-1；
（3）该温度下，此反应的化学平衡常数为（可以用分数表示）$\frac{9}{49}$；
（4）下列改变中，能使平衡向正反应方向移动的是CD．
A．降低温度   B．增大压强C．增大H₂O（g）的浓度D．减少CO₂（g）的浓度
（5）保持温度不变，若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，反应进行一段时间后，测得H₂的浓度为0.4mol•L^-1．通过计算，判断此时该反应进行的方向并说明理由．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律来计算反应的焓变，根据热化学方程式的书写规律来书写热化学方程式；
（2）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算二氧化碳的平均反应速率，再结合同一时间段内同一可逆反应中，各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算一氧化碳的平均反应速率；
（3）根据平衡常数指各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值进行解答；
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1，该反应升高温度逆向移动，前后气体的物质的量不变，压强变化不影响平衡移动，增加反应物浓度正向移动，减少生成物浓度正向移动；
（5）该温度下，此反应的化学平衡常数为$\frac{9}{49}$，根据浓度商Q_c=$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$与平衡常数K大小分析判断，Q_c＜K，平衡向正反应进行，Q_c＞K，平衡向逆反应进行，Q_c═K，达平衡．

解答 解：（1）根据第一步反应过程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3kJ•mol^-1；根据第二步反应过程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1；根据盖斯定律，上下两式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ•mol^-1；
（2）根据第二步反应过程可以得出：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），根据同一时间段内同一可逆反应中，各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算一氧化碳的平均反应速率，所以v（CO）=v（CO₂）=0.003mol/（L．min），
故答案为：0.003 mol•L^-1•min^-1；
（3）利用三段式法计算，
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：0.1 mol•L^-1 0.1 mol•L^-1 0 0
转化：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
因平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，所以K=$\frac{C（CO{\;}_{2}）C（H{\;}_{2}）}{C（CO）C（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.03×0.03}{0.07×0.07}$=$\frac{9}{49}$，
故答案为：$\frac{9}{49}$；
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ•mol^-1，
A．升高温度单位体积内活化分子数目增多，反应速率增大，平衡向吸热反应方向移动，该反应逆反应为吸热反应，所以平衡逆向移动，故A错误；
B．该反应前后气体的物质的量不变，压强变化不影响平衡移动，故B错误；
C．水为反应物，增大H₂O（g）的浓度，反应速率增大，平衡向降低H₂O（g）浓度的方向移动，所以平衡正向移动，故C正确；
D．CO₂（g）为生成物，减少CO₂（g）的浓度，平衡向减弱CO₂（g）浓度降低的方向移动，所以平衡正向移动，故D正确；
故答案为：CD；
（5）利用三段式法计算，
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1 mol•L^-1 2 mol•L^-1 0 0
转化：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
浓度商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，平衡向正反应进行，v（正）＞v（逆），
故答案为：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，所以该反应向正反应方向进行．

点评 本题考查反应速率的计算、化学平衡有关计算、化学平衡移动与影响因素等，注意平衡常数的应用、平衡移动的本质是解答的关键，题目难度中等．