Question

12．（1）工業(yè)上了利用“甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法”生產(chǎn)氫氣，反應(yīng)為甲烷和水蒸氣在高溫和催化劑存在的條件下生成一氧化碳和氫氣，有關(guān)反應(yīng)的能量變化如圖1：
則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol．
（2）CH₄燃燒之后的產(chǎn)物用NaOH溶液吸收，常溫下，在該吸收液中滴加稀鹽酸至中性時(shí)，溶質(zhì)的主要成分有NaHCO₃、NaCl、CO₂．
（3）已知溫度、壓強(qiáng)對(duì)甲烷平衡含量的影響如圖2，請(qǐng)回答：
①圖2中a、b、c、d四條曲線中的兩條代表壓強(qiáng)分別為1Mpa、2Mpa時(shí)甲烷含量曲線，其中表示1Mpa的是a．
②該反應(yīng)的平衡常數(shù)：600℃時(shí)＜700℃（填“＞”“＜”或“=”）
③已知：在700℃，1Mpa時(shí)，1molCH₄與1molH₂O在1L的密閉容器中反應(yīng)，6min達(dá)到平衡（如圖3），此時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為276.5mol²•L^-2（結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)字）
④從圖3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡移動(dòng)的方向是向逆反應(yīng)方向（填“向正反應(yīng)方向”或“向逆反應(yīng)方向”），采取的措施可能是將容器體積縮小為原來(lái)的 $\frac{1}{2}$或加入等量的氫氣．

Answer 1

分析 （1）由圖1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由蓋斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H；
（2）CH₄燃燒之后的產(chǎn)物CO₂，用NaOH溶液吸收后溶液中可能有碳酸鈉、碳酸氫鈉或過(guò)量的NaOH，含有這三種物質(zhì)的溶液均顯堿性，但CO₂常溫下在水中有一定的溶解度，其水溶液顯酸性；
（3）①由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷的平衡含量會(huì)逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲線a，2Mpa的是曲線b；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大；
③CH₄（g）+H₂O（g） $\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
變化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率為 $\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
④由圖3可知，在7min時(shí)，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來(lái)的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，平衡均是逆向移動(dòng)．

解答 解：（1）由圖1可知：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）→H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
②CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）→CO（g）+2H₂O（g）△H=-564.3kJ/mol；
由蓋斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=-564.3kJ/mol-3×（-241.8kJ/mol）=+161.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol；
（2）在吸收了CH4燃燒產(chǎn)物后的混合溶液中滴加稀鹽酸，若碳酸鈉與碳酸氫鈉完全反應(yīng)，則所得溶液因溶解了生成的二氧化碳而顯酸性；若溶液呈中性，則溶液中應(yīng)有少量NaHCO₃剩余，所以溶質(zhì)的主要成分有NaCl、NaHCO₃、CO₂，故答案為：NaCl、NaHCO₃、CO₂；
（3）①由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷的平衡含量會(huì)逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲線a，2Mpa的是曲線b，
故答案為：a；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，因此該反應(yīng)的平衡常數(shù)：600℃時(shí)小于700℃，
故答案為：＜；
③CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化劑\;\;}}{高溫高壓}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
變化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
故答案為：80%；276.5mol²•L^-2；
④由圖3可知，在7min時(shí)，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來(lái)的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，無(wú)論是增大壓強(qiáng)，還是增大氫氣的濃度，平衡均是逆向移動(dòng)，
故答案為：向逆反應(yīng)方向；將容器體積縮小為原來(lái)的 $\frac{1}{2}$或加入等量的氫氣．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡影響因素和化學(xué)平衡常數(shù)以及轉(zhuǎn)化率的計(jì)算、燃料電池的電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，綜合性較強(qiáng)，為歷年高考高頻考點(diǎn)，側(cè)重于化學(xué)反應(yīng)原理和圖象分析能力的培養(yǎng)，題目難度中等．