Question

12．氢气是清洁的能源，也是重要的化工原料，有关氢气的制取研究是一个有趣的课题．根据提供两种制氢方法，完成下列各题：

（1）方法一：H₂S热分解法，反应式为：2H₂S（g）?2H₂（g）+S₂（g）△H
在恒容密闭容器中，控制不同温度进行H₂S的分解实验．H₂S的起始浓度均为c mol•L^-1．不同温度下反应相同时间t后，测得如图1所示H₂S转化率曲线图．其中a为平衡转化率与温度关系曲线，b为未达到平衡时转化率与温度的关系曲线．
①△H＞0（“＞”、“＜”或“=”），
②若985℃时，反应经t min达到平衡，此时H₂S的转化率为40%，则t min内反应速率v（H₂）=$\frac{0.4c}{t}$mol•L^-1•min^-1（用含c、t的代数式表示）．
③请说明随温度的升高，曲线b向曲线a逼近的原因：温度升高，反应速率加快，达到平衡所需时间缩短．
（2）方法二：以CaO为吸收体，将生物材质（以C计）与水蒸气反应制取H₂．反应装置由气化炉和燃烧炉两个反应器组成，相关反应如下表所示：

流程1：气化炉中产生H2	流程2：燃烧炉中CaO再生
通入水蒸气，主要化学反应： Ⅰ：C（s）+H2O（g）═CO（g）+H2（g）  K1 Ⅱ：CO（g）+H2O（g）═CO2（g）+H2（g）K2 Ⅲ：CaO（s）+CO2（g）═CaCO3（s）K3	通入纯氧，主要化学反应： IV：C（s）+O2（g）═CO2（g） △H=-393.8kJ•mol-1 V：CaCO3（s）═CaO（s）+CO2（g）

①反应C（s）+2H₂O（g）+CaO（s）═CaCO₃（s）+2H₂（g）K=K₁•K₂•K₃．（用K₁、K₂、K₃表示）
②图2为反应I在一定温度下，平衡时各气体体积百分含量随压强变化的关系图2．若反应达某一平衡状态时，测得c（H₂O）=2c（H₂）=2c（CO）=2mol•L^-1，试根据H₂O的体积百分含量变化曲线，补充完整CO的变化曲线示意图．
③对于可逆反应C（s）+2H₂O（g）+CaO（s）?CaCO₃（s）+2H₂（g），△H=-87.9kJ•mol^-1；采取以下措施可以提高H₂产量的是AC．（填字母编号）
A．降低体系的温度
B．使各气体组分浓度均加倍
C．适当增加水蒸气的通入量
D．增加CaO的量，提高CO₂的吸收率？
（3）方法二与方法一相比其优点有实现了吸收剂CaO的循环，降低能耗（写一个即可）．

Answer 1

分析 （1）①根据温度升高，H₂S转化率增大，可知化学平衡正向移动，化学平衡移动原理可知升温平衡吸热反应方向进行，向据此分析；
②根据转化率求出H₂S的反应的量，再求反应速率v=$\frac{△c}{△t}$；
③根据温度对速率的影响分析，温度越高反应速率越大；
（2）①反应I、II、III之和为反应C（s）+2H₂O（g）+CaO（s）═CaCO₃（s）+2H₂（g），据此分析平衡常数的关系，固体不能写入表达式；
②根据方程式确定CO与H₂O变化量关系，根据图中H₂O含量来确定CO的含量，反应中H₂O的变化量约等于CO的变化量，当起始水的含量为50%，则H₂、CO各占25%，则CO的曲线的起点坐标为（0.1，25），平衡时水的含量为70%，则H₂、CO各占15%，H₂O含量变化与CO含量变化关于含量y=37.5的直线对称，据此分析；
③提高H₂产量，则需使平衡正向移动，根据影响平衡的因素分析，
A．该反应为放热反应，降低体系的温度；
B．该反应前后气体体积不变，使各气体组分浓度均加倍，则压强增大，平衡不移动；
C．适当增加水蒸气的通入量，平衡正移；
D．增加固体CaO的量，对平衡无影响；
（3）方法二CaO能循环使用，降低能耗据此分析．

解答 解：（1）①由图象可知，温度升高，转化率增大，则平衡正移，所以正方向为吸热方向，即△H＞0，故答案为：＞；
②H₂S的起始浓度均为c mol•L^-1，若985℃时，反应经t min达到平衡，此时H₂S的转化率为40%，则参加反应的硫化氢为c mol•L^-1×40%=0.4cmol•L^-1，
v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.4c}{t}$mol•L^-1•min^-1；
故答案为：$\frac{0.4c}{t}$mol•L^-1•min^-1；
③随着温度升高，反应速率逐渐加快，达到平衡所需时间缩短，所以曲线b向曲线a逼近；
故答案为：温度升高，反应速率加快，达到平衡所需时间缩短；
（2）①已知：I：C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g） K₁
Ⅱ：CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）K₂
Ⅲ：CaO（s）+CO₂（g）═CaCO₃（s）K₃
反应I、II、III之和为反应C（s）+2H₂O（g）+CaO（s）═CaCO₃（s）+2H₂（g），则K=K₁•K₂•K₃；
故答案为：K₁•K₂•K₃；
②反应中H₂O的变化量约等于CO的变化量，当起始水的含量为50%，则H₂、CO各占25%，则CO的曲线的起点坐标为（0.1，25），平衡时水的含量为70%，则H₂、CO各占15%，H₂O含量变化与CO含量变化关于含量y=37.5的直线对称，故图中CO的变化曲线示意图为：，
故答案为：；
③提高H₂产量，则需使平衡正向移动，已知C（s）+2H₂O（g）+CaO（s）?CaCO₃（s）+2H₂（g），△H=-87.9kJ•mol^-1；
A．该反应为放热反应，降低体系的温度，平衡正移，则能提高H₂产量，故A正确；
B．该反应前后气体体积不变，使各气体组分浓度均加倍，则压强增大，平衡不移动，所以H₂产量不变，故B错误；
C．适当增加水蒸气的通入量，平衡正移，则能提高H₂产量，故C正确；
D．增加CaO的量，对平衡无影响，所以H₂产量不变，故D错误；
故答案为：AC；
（3）方法二中实现了吸收剂CaO的循环，降低能耗，降低了生产成本，故答案为：实现了吸收剂CaO的循环，降低能耗．

点评 本题考查反应热的判断、反应速率的计算、化学平衡图象与影响因素等，难度中等，注意把握图象中坐标的含义，充分利用图象中的信息，题目综合性强，侧重于考查学生对所学知识的应用能力．