Question

5．合成氨工業(yè)中氫氣可由天然氣和水蒸汽反應(yīng)制備，其主要反應(yīng)為：CH₄+2H₂O?CO₂+4H₂，已知：
CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ/mol
（1）寫出由天然氣和水蒸汽反應(yīng)制備H₂的熱化學(xué)方程式：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ/mol．
（2）某溫度下，10L密閉容器中充入2mol CH₄和3mol H₂O（g），發(fā)生CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）反應(yīng)，過一段時間反應(yīng)達(dá)平衡，平衡時容器的壓強(qiáng)是起始時的1.4倍．
則①平衡時，CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%，H₂的濃度為0.4mol/L，反應(yīng)共放出或吸收熱量165.2KJ．
②升高平衡體系的溫度，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量變小，密度不變．（填“變大”“變小”或“不變”）．
③當(dāng)達(dá)到平衡時，充入氬氣，并保持壓強(qiáng)不變，平衡將正向（填“正向”“逆向”或“不”）移動．
④若保持恒溫，將容器壓縮為5L（各物質(zhì)仍均為氣態(tài)），平衡將逆向（填“正向”“逆向”或“不”）移動．達(dá)到新平衡后，容器內(nèi)H₂濃度范圍為0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44KJ/mol
根據(jù)蓋斯定律①-②×2+③×2進(jìn)行計算；
（2）①根據(jù)CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）反應(yīng)，列三段式進(jìn)行計算；
②根據(jù)（1）的分析，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高平衡體系的溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，根據(jù)平均相對分子質(zhì)量=$\frac{m}{n}$和ρ=$\frac{m}{V}$進(jìn)行判斷；
③充入氬氣，并保持壓強(qiáng)不變，則體積增大，相當(dāng)于反應(yīng)體系的壓強(qiáng)減小，平衡向氣體體積增大的方向移動；
④保持恒溫，將容器壓縮為5L（各物質(zhì)仍均為氣態(tài)）即增大壓強(qiáng)，平衡將向氣體體積減小的方向移動，但氫氣的濃度仍然增大．

解答 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44KJ/mol
根據(jù)蓋斯定律①-②×2+③×2，得CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=（-890+571.6×2-44×2）KJ/mol=+165.2KJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ/mol；
（2）①設(shè)甲烷轉(zhuǎn)化的濃度為xmol/L，
根據(jù)          CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）
開始（mol/L） 0.2      0.3        0         0
轉(zhuǎn)化（mol/L） x        2x         x         4x
平衡（mol/L）0.2-x     0.3-2x     x          4x
$\frac{0.2-x+0.3-2x+x+4x}{0.2+0.3}$=1.4，解得x=0.1，所以CH₄的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.1}{0.2}$×100%=50%，H₂的濃度為0.1×4=0.4mol/L，反應(yīng)共吸收熱量0.1mol/L×10L×165.2KJ/mol=165.2KJ
故答案為：50%；0.4mol/L；165.2；
②根據(jù)（1）的分析，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高平衡體系的溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動即總物質(zhì)的量增大，又總質(zhì)量不變，所以平均相對分子質(zhì)量=$\frac{m}{n}$變小，總體積又沒變，所以ρ=$\frac{m}{V}$不變，故答案為：變��；不變；
③充入氬氣，并保持壓強(qiáng)不變，則體積增大，相當(dāng)于反應(yīng)體系的壓強(qiáng)減小，平衡向氣體體積增大即正反應(yīng)的方向移動，故答案為：正向；
④保持恒溫，將容器壓縮為5L（各物質(zhì)仍均為氣態(tài)）即增大壓強(qiáng)，平衡將向氣體體積減小即逆反應(yīng)的方向移動，當(dāng)將容器壓縮為5L時氫氣的瞬間濃度變?yōu)?.8mol/L，但平衡將向氣體體積減小即逆反應(yīng)的方向移動，氫氣濃度再減小但最終達(dá)平衡時仍然大于原來的濃度0.4mol/L，所以達(dá)到新平衡后，容器內(nèi)H₂濃度范圍為
0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L，故答案為：逆向；0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L．

點評 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、轉(zhuǎn)化率的計算、平衡濃度、平衡移動原理等知識，題目難度中等，注意掌握化學(xué)平衡移動原理及影響因素．