Question

氫氣是一種高效、清潔的新型能源．
1用甲烷制取氫氣的反應(yīng)分為兩步，其能量變化如圖1、圖2所示：

（1）甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式是

 

Ⅱ在某容積為1L的密閉容器內(nèi)，加入0.1mol CO和0.1mol H₂O，在催化劑存在條件下高溫加熱使其反應(yīng)．測(cè)得CO₂的濃度隨時(shí)間變化的圖象如圖3：
（2）在該溫度下，從反應(yīng)開(kāi)始至達(dá)到平衡時(shí)，CO的平均反應(yīng)速率為

 

．
（3）該溫度下，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為（可以用分?jǐn)?shù)表示）

 

（4）下列改變中，能使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)的是

 

．A．升高溫度 B．增大壓強(qiáng) C．增大H₂O（g）的濃度 D．減少CO₂（g）的濃度
（5）保持溫度不變，若起始時(shí)c（CO）=1mol/L，c（H₂O）=2mol/L，反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，測(cè)得H₂的濃度為0.4mol/L．通過(guò)計(jì)算，判斷此時(shí)該反應(yīng)進(jìn)行的方向并說(shuō)明理由

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,化學(xué)平衡的調(diào)控作用,物質(zhì)的量或濃度隨時(shí)間的變化曲線

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化,化學(xué)平衡專題

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來(lái)計(jì)算反應(yīng)的焓變，根據(jù)熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)規(guī)律來(lái)書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)v=

△C

△t

計(jì)算二氧化碳的平均反應(yīng)速率，再結(jié)合同一時(shí)間段內(nèi)同一可逆反應(yīng)中，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計(jì)量數(shù)之比計(jì)算一氧化碳的平均反應(yīng)速率；
（3）根據(jù)平衡常數(shù)指各生成物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積所得的比值進(jìn)行解答；
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1，該反應(yīng)升高溫度逆向移動(dòng)，前后氣體的物質(zhì)的量不變，壓強(qiáng)變化不影響平衡移動(dòng)，增加反應(yīng)物濃度正向移動(dòng)，減少生成物濃度正向移動(dòng)；
（5）該溫度下，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為

9

49

，根據(jù)濃度商Q_c=

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

與平衡常數(shù)K大小分析判斷，Q_c＜K_c，平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，Q_c＞K_c，平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，Q_c═K_c，達(dá)平衡．

解答： 解：（1）根據(jù)第一步反應(yīng)過(guò)程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3kJ?mol^-1；根據(jù)第二步反應(yīng)過(guò)程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1；根據(jù)蓋斯定律，上下兩式相加可得：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ?mol^-1；
（2）根據(jù)第二步反應(yīng)過(guò)程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1；v（CO₂）=

△C

△t

=

0.03mol/L

10min

=0.003mol/（L．min），根據(jù)同一時(shí)間段內(nèi)同一可逆反應(yīng)中，各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計(jì)量數(shù)之比計(jì)算一氧化碳的平均反應(yīng)速率，所以v（CO）=v（CO₂）=0.003mol/（L．min），
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（3）利用三段式法計(jì)算，
      CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：0.1 mol?L^-1  0.1 mol?L^-1 0            0
轉(zhuǎn)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
因平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，所以K═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.03 mol?L-1×0.03 mol?L-1

0.07 mol?L-1×0.07 mol?L-1

=

9

49

，
故答案為：

9

49

；   
（4）CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2kJ?mol^-1，
A．升高溫度單位體積內(nèi)活化分子數(shù)目增多，反應(yīng)速率增大，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，該反應(yīng)逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以平衡逆向移動(dòng)，故A錯(cuò)誤；
 B．該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，壓強(qiáng)變化不影響平衡移動(dòng)，故B錯(cuò)誤；
C．水為反應(yīng)物，增大H₂O（g）的濃度，反應(yīng)速率增大，平衡向降低H₂O（g）濃度的方向移動(dòng)，所以平衡正向移動(dòng)，故C正確；
D．CO₂（g）為生成物，減少CO₂（g）的濃度，平衡向減弱CO₂（g）濃度降低的方向移動(dòng)，所以平衡正向移動(dòng)，故D正確；
故答案為：CD；
（5）利用三段式法計(jì)算，
     CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1 mol?L^-1 2 mol?L^-1 0           0
轉(zhuǎn)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
濃度商Q_c═

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.4 mol?L-1×0.4 mol?L-1

0.6mol?L-1×1.6 mol?L-1

=

1

6

＜K_c=

9

49

，平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，v（正）＞v（逆），
故答案為：正方向，Q_c=

C(CO2)C(H2)

C(CO)C(H2O)

=

0.4 mol?L-1×0.4 mol?L-1

0.6mol?L-1×1.6 mol?L-1

=

1

6

＜K_c，所以該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行．

點(diǎn)評(píng)：本題考查反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡有關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡移動(dòng)與影響因素等，注意平衡常數(shù)的應(yīng)用、平衡移動(dòng)的本質(zhì)是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．