Question

合成气（CO和H₂）是重要的化工原料，在工业生产中有着广泛的应用．
（1）工业上用甲烷和水蒸气在高温条件下发生反应制备合成气（CO和H₂），4g甲烷完全反应吸收51.5KJ热量，写该反应的热化学方程式

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，由反应（1）制备的合成气10m³（已折成标况），完全燃烧所提供的能量为

1.125×10⁵

kJ
（3）工业上常用合成气来冶炼金属，其中CO还原氧化铁来冶炼生铁方程式如下：
3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反应在体积不变的密闭容器中发生，当反应达到平衡时，

AD

．
A．容器中Fe₂O₃的质量不随时间而变化     B．反应物不再转化为生成物
C．n （CO）：n （CO₂）=1：1                D．容器中气体的压强不随时间而变化
②在一个容积为4L的密闭容器中，1000℃时加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反应2分钟后达到平衡，测得此时容器内气体的密度为40g/L，求该时间范围内反应的平均反应速率υ（CO₂）=

0.375mol/L?min

、CO的平衡转化率=

75%

、该反应的化学平衡常数K=

27

．
③如果在3分钟时向②的平衡体系中再加入2mol CO（g），其它条件不变，经过2分钟反应又达到平衡．请画出②、③c（CO）、c（CO₂） 随时间变化的图象．

Answer 1

分析：（1）依据题干条件计算4g甲烷物质的量，完全反应吸收51.5KJ热量，结合反应产物写出热化学方程式，注意物质的聚集状态和对应物质的量下的反应焓变计算；
（2依据盖斯定律结合热化学方程式计算得到一氧化碳和氢气燃烧放出的热量；
（3）①依据化学平衡的标志分析判断，实质是正逆反应速率相等；
②依据化学平衡的三段式列式计算；反应速率的概念、转化率概念、化学平衡常数概念，的计算应用；
③依据一氧化碳和二氧化碳随反应进行变化的量和平衡量分析画出；

解答：解：（1）4g甲烷完全反应吸收51.5KJ热量，16g甲烷和水反应吸收热量为206KJ；反应的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
故答案为：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；
依据盖斯定律，①-②得到：CO（g）+3H₂（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1008KJ/mol；
合成气10m³物质的量=

104L

22.4L/mol

=

104

22.4

mol，结合热化学方程式可知，4mol一氧化碳和氢气完全燃烧放热放热1008KJ，所以

104

22.4

mol，混合气体完全燃烧放出的热量=

104 22.4 ×1008

4

=1.125×10⁵KJ；
故答案为：1.125×10⁵KJ；
（3）3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反应在体积不变的密闭容器中发生，当反应达到平衡时：
A、容器中Fe₂O₃的质量不随时间而变化，说明反应达到平衡，故A符合；
B、平衡时，正逆反应都进行只是正反应速率和逆反应速率相同，故B不符合；
C、一氧化碳和二氧化碳的物质的量之比和起始量有关，n （CO）：n （CO₂）不一定为1：1，故C不符合；
D、反应是气体体积不变的反应，平衡时容器中气体的压强不随时间而变化，故D正确；
故答案为：AD；
②在一个容积为4L的密闭容器中，1000℃时加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反应2分钟后达到平衡，测得此时容器内气体的密度为40g/L，设反应的一氧化碳物质的量为x：
                  3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）
起始量（mol）     4                     0
变化量（mol）     x                     x
平衡量（mol）    4-x                    x
容器内气体的密度为40g/L：

(4-x)×28g/mol+x×44g/mol

4

=40g/L计算得到x=3mol；
该时间范围内反应的平均反应速率υ（CO₂）=

3mol 4L

2min

=0.375mol/L；
CO的平衡转化率=

3mol

4mol

×100%=75%
该反应的化学平衡常数K=

[CO2]3

[CO]3

=

( 3 4 )3

( 1 4 )3

=27；
故答案为：0.375mol/L  75%   27；
③起始量一氧化碳得到浓度为1mol/L；平衡时一氧化碳浓度为0.25mol/L；二氧化碳平衡浓度为0.75mol/L；如果在3分钟时向②的平衡体系中再加入2mol CO（g），其它条件不变，经过2分钟反应又达到平衡；平衡后一氧化碳转化率不变为75%，所以平衡后一氧化碳浓度为0，375mol/L；二氧化碳平衡浓度为1.125mol/L；结合时间画出图象为：


故答案为：

点评：本题考查了热化学方程式的书写，盖斯定律的计算应用，化学平衡的特征分析，化学平衡的三段式计算，反应速率，转化率，化学平衡常数的概念应用，平衡图象的数值计算和画法，题目难度大．