Question

17．甲烷重整可以獲得CO、H₂等重要化工原料，相關(guān)反應(yīng)原理如下：
①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO（g）+2H₂（g）△H=-36kJ/mol
②CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ/mol
③CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol副反應(yīng)
④CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O （g）△H=-889.6kJ/mol

（1）反應(yīng)CO₂ （g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H=41kJ/mol．
（2）某溫度下，向體積為1L的密閉容器中充入1molCH₄和1molCO₂，只發(fā)生反應(yīng)③，測得CH₄（g）和CO（g）的濃度隨時間變化曲線如圖（1）所示．計算0～5小時H₂的平均反應(yīng)速率0.12mol/（L•h），該溫度下的平衡常數(shù)為1.1（mol/L）²（保留兩位有效數(shù)字），若再往容器中充0.4molCH₄和0.2molCO，其它條件不變，則平衡向正方向移動．
（3）研究人員研究混合氣體比例對重整氣CO和H₂含量影響，在初始溫度為973K時，n（O₂）/n（H₂O）按不同比例投入不同反應(yīng)容器（絕熱）重整相同的時間，重整的數(shù)據(jù)如圖（2）：從圖可知，重整氣CO的含量隨$\frac{n（{O}_{2}）}{n（{H}_{2}O）}$增大而增大，其主要原因是反應(yīng)②③是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)①④是放熱反應(yīng)，增加n（O₂）/n（H₂O），①④將向正方向移動，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量促使反應(yīng)②③向正方向移動．
（4）甲烷重整可選氧化物NiO-Al₂O₃作為催化劑．工業(yè)上常用Ni（NO₃）₂、Al（NO₃）₃混合液加入氨水調(diào)節(jié)pH=12（常溫），然后將濁液高壓恒溫放置及煅燒等操作制備．加入氨水調(diào)節(jié)pH=12時，c（Ni²⁺）為5×10^-12mol/L．已知：K_sp[Ni（OH）₂]=5×10^-16．

Answer 1

分析 （1）據(jù)已知熱化學(xué)方程式，利用蓋斯定律解答；
（2）0～5小時時CO的濃度從0變化到0.60mol/L，據(jù)化學(xué)方程式求算氫氣的反應(yīng)速率；化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{[CO]^{2}•[{H}_{2}]^{2}}{[C{H}_{4}]•[C{O}_{2}]}$；再往容器中充0.4molCH₄和0.2molCO，據(jù)Qc和K的大小比較判斷平衡移動方向；
（3）從反應(yīng)放熱和吸熱角度分析；
（4）pH=12，c（OH^-）=0.01mol/L，據(jù)K_sp[Ni（OH）₂]=5×10^-16計算c（Ni²⁺）．

解答 解：（1）已知①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO（g）+2H₂（g）△H=-36kJ/mol
②CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ/mol
③CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol副反應(yīng)
④CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O （g）△H=-889.6kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，③-②得：CO₂ （g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H=247kJ/mol-206kJ/mol=41kJ/mol，故答案為：41kJ/mol；
（2）0～5小時時CO的濃度從0變化到0.60mol/L，據(jù)化學(xué)方程式可知，氫氣的反應(yīng)速率v（H₂）=$\frac{0.60mol/L}{5h}$=0.12mol/（L•h）；
平衡時濃度[CO]=[H₂]=0.8mol/L，[CO₂]=[CH₄]=0.60mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{[CO]^{2}•[{H}_{2}]^{2}}{[C{H}_{4}]•[C{O}_{2}]}$=$\frac{0．{8}^{2}×0．{8}^{2}}{0.6×0.6}$=1.1；再往容器中充0.4molCH₄和0.2molCO，容器體積為1L，Qc=$\frac{1．{0}^{2}×0．{8}^{2}}{1.0×0.6}$=1.07＜1.1，平衡正向移動，故答案為：0.12mol/（L•h）；1.1（mol/L）²；正；
（3）反應(yīng)①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO（g）+2H₂（g）△H=-36kJ/mol
②CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ/mol
③CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247kJ/mol副反應(yīng)
④CH₄（g）+2O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O （g）△H=-889.6kJ/mol
中，反應(yīng)②③是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)①④是放熱反應(yīng)，增加n（O₂）/n（H₂O），①④將向正方向移動，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量促使反應(yīng)②③向正方向移動，
故答案為：反應(yīng)②③是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)①④是放熱反應(yīng)，增加n（O₂）/n（H₂O），①④將向正方向移動，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量促使反應(yīng)②③向正方向移動；
（4）pH=12，c（OH^-）=0.01mol/L，K_sp[Ni（OH）₂]=5×10^-16，c（Ni²⁺）=$\frac{5×1{0}^{-16}}{（1{0}^{-2}）^{2}}$=5×10^-12mol/L，故答案為：5×10^-12mol/L．

點評 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、影響化學(xué)平衡移動的因素、沉淀的溶度積計算，題目難度中等，注意根據(jù)反應(yīng)熱判斷反應(yīng)方向的相互影響．