Question

10．目前“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题．请回答下列问题：
Ⅰ．（1）甲烷自热重整是一种先进的制氢方法，其反应方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
阅读下图，计算该反应的反应热△H=+161.1kJ/mol．

（2）以CH₄、O₂为原料，100mL0.15mol/LNaOH溶液为电解质设计成燃料电池，若放电时参与反应的氧气体积为448mL（标准状况），产生的气体全部被溶液吸收，则所得溶液中各离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
Ⅱ．一定条件下，治理汽车尾气的反应是2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0．在恒温恒容的密闭容器中通入n（NO）：n（CO）=2：1的混合气体，发生上述反应．下列图象正确且能说明反应在进行到t₁时刻一定达到平衡状态的是AD（选填字母）．

Ⅲ．相同温度下，在两个容积均为2L的密闭容器中，分别发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．相关数据如下：

容器	甲	乙
反应物投入量	1molCO2（g）和3molH2（g）	1molCH3OH（g）和1molH2O（g）
平衡时c（CH3OH）	C1	C2
平衡时能量变化	放出29.4kJ	吸收akJ

请回答：
（1）n=19.6kJ．
（2）若甲中反应10s时达到平衡，则用CO₂来表示甲中反应从开始到平衡过程中的平均反应速率是0.03mol•L^-1•s^-1．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）由能量图，可得：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
根据盖斯定律，①-③×3+②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），反应热也进行相应计算；
（2）参与反应的氧气物质的量为 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，发生反应：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所得溶液中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，钠离子浓度最大，由于水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子；
Ⅱ．A．t₃时刻起反应物的转化率不变，说明到达平衡；
B．平衡常数与温度有关，温度不变，则平衡常数始终不变；
C．t₁时刻NO与二氧化碳物质的量相等，而后NO物质的量减小、二氧化碳物质的量增大，故t₁时刻反应向正反应进行；
D．起始n（NO）：n（CO）=2：1，二者按1：1反应，随反应进行n（NO）：n（CO）增大，二者之比不再变化，说明到达平衡；
Ⅲ．（1）甲与乙为完全等效平衡，平衡时同一物质的物质的量相同，则a+29.4=49；
（2）根据反应放出的热量计算消耗的二氧化碳物质的量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂）．

解答 解：Ⅰ（1）由能量图，可得：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
根据盖斯定律，①-③×3+②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），故△H=（-846.3+241.8×3+282）kJ•moL^-1=+161.1kJ•moL^-1，
故答案为：+161.1；
（2）参与反应的氧气物质的量为 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根据电子转移守恒可知，生成二氧化碳为 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，发生反应：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所得溶液中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，溶液中碳酸根水解，碳酸氢根的水解大于电离，溶液呈碱性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氢根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），钠离子浓度最大，水解程度不大，碳酸根浓度原大于氢氧根离子，故c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
Ⅱ．A．随反应进行反应物转化率增大，t₃时刻起反应物的转化率不变，说明到达平衡，故A正确；
B．平衡常数与温度有关，温度不变，则平衡常数始终不变，平衡常数不能说明到达平衡，故B错误；
C．t₁时刻NO与二氧化碳物质的量相等，而后NO物质的量减小、二氧化碳物质的量增大，故t₁时刻反应向正反应进行，故C错误；
D．起始n（NO）：n（CO）=2：1，二者按1：1反应，随反应进行n（NO）：n（CO）增大，二者之比不再变化，说明到达平衡，故D正确，
故选：AD；
Ⅲ．（1）甲与乙为完全等效平衡，平衡时同一物质的物质的量相同，则a+29.4=49，故a=19.6，
故答案为：19.6；
（2）甲中平衡时放出29.4kJ热量，则消耗的二氧化碳物质的量为$\frac{29.4kJ}{49kJ/mol}$=0.6mol，则v（CO₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10s}$=0.03mol/（L．min），
故答案为：0.03mol．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态特征、反应热计算、离子浓度大小比较等，题目涉及的知识点较多，需要学生具备扎实的基础，Ⅲ中（1）注意对规律的理解掌握，题目难度中等．