Question

10．氫氣是一種清潔能源．用甲烷制取氫氣的兩步反應(yīng)的能量變化如下圖所示：

（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CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5kJ/mol．
（2）第II步為可逆反應(yīng)．在800℃時(shí)，若CO的起始濃度為2.0mol/L，水蒸氣的起始濃度為3.0mol/L，達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)后，測得CO₂的濃度為1.2mol/L，則此反應(yīng)的平衡常數(shù)為1，隨著溫度升高該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的變化趨勢是變�。�
（3）在恒溫恒容密閉容器中進(jìn)行的第II步反應(yīng)，下列說法中能表示達(dá)到平衡狀態(tài)的是bc（填序號）．
a．四種物質(zhì)的濃度比恰好等于化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比
b．單位時(shí)間內(nèi)斷開amol H-H鍵的同時(shí)斷開2a mol O-H鍵
c．反應(yīng)容器中放出的熱量不再變化
d．混合氣體的密度不再發(fā)生變化
e．混合氣體的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化
（4）某溫度下，第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{1}{9}$．該溫度下在甲、乙、丙三個(gè)恒容密閉容器中投入H₂O（g）和CO（g），其起始濃度如下表所示．下列判斷不正確的是CD．

起始濃度	甲	乙	丙
c（H2O）/mol/L	0.010	0.020	0.020
c（CO）/mol/L	0.010	0.010	0.020

A．反應(yīng)開始時(shí)，丙中的反應(yīng)速率最快，甲中的反應(yīng)速率最慢
B．平衡時(shí)，甲中和丙中H₂O的轉(zhuǎn)化率均是25%
C．平衡時(shí)，丙中c（CO₂）是甲中的2倍，是0.015mol/L
D．平衡時(shí)，乙中H₂O的轉(zhuǎn)化率大于25%

Answer 1

分析 （1）根據(jù)第一步反應(yīng)過程可以得出：①CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應(yīng)過程可以得出：②CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律將①+②可得甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣的反應(yīng)，據(jù)此書寫熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)化學(xué)平衡“三行式”來計(jì)算平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，平衡常數(shù)等于生成物濃度系數(shù)次冪之積除以反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪之積，根據(jù)溫度對平衡移動的影響判斷平衡常數(shù)的變化；
（3）第II步反應(yīng)為CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol，
a．四種物質(zhì)的濃度比與化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比的關(guān)系與起始量有關(guān)，不能說明反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)；
b．單位時(shí)間內(nèi)斷開amol H-H鍵的同時(shí)斷開2a mol O-H鍵，說明正逆反應(yīng)速率相等；
c．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，伴隨著能量的變化，當(dāng)反應(yīng)容器中放出的熱量不再變化，說明反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
d．該反應(yīng)的反應(yīng)前后氣體的質(zhì)量和容器的體積均不變，所以混合氣體的密度不隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化；
e．該反應(yīng)的反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，所以混合氣體的壓強(qiáng)不隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化；
（4）反應(yīng)H₂O（g）+CO（g）?H（g）+CO₂（g）中，反應(yīng)物和生成物的體積相等，壓強(qiáng)對平衡移動無影響，從等效平衡的角度結(jié)合濃度對平衡的影響分析．

解答 解：（1）根據(jù)第一步反應(yīng)過程可以得出：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g），△H=-103.3KJ/mol；
根據(jù)第二步反應(yīng)過程可以得出：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol；
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，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5 kJ/mol；
（2）設(shè)CO的平衡轉(zhuǎn)化量為x，
           CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g）
初始濃度：2.0    3.0       0      0
變化濃度：1.2     1.2       1.2   1.2
平衡濃度：0.8    1.8        1.2   1.2
 平衡常數(shù)K=$\frac{1.2×1.2}{0.8×1.8}$=1，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以隨著溫度的升高平衡逆向移動，平衡常數(shù)變小，
故答案為：1；變�。�
（3）第II步反應(yīng)為CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-33.2KJ/mol，
a．四種物質(zhì)的濃度比與化學(xué)方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比的關(guān)系與起始量有關(guān)，不能說明反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)；
b．單位時(shí)間內(nèi)斷開amol H-H鍵的同時(shí)斷開2a mol O-H鍵，說明正逆反應(yīng)速率相等，即反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；
c．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，伴隨著能量的變化，當(dāng)反應(yīng)容器中放出的熱量不再變化，說明反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
d．該反應(yīng)的反應(yīng)前后氣體的質(zhì)量和容器的體積均不變，所以混合氣體的密度不隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化，所以不能說明反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)；
e．該反應(yīng)的反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，所以混合氣體的壓強(qiáng)不隨著反應(yīng)的進(jìn)行而發(fā)生變化，所以不能說明反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)；
故選：bc；
（4）A．丙中濃度最大，甲中濃度最小，濃度越大，反應(yīng)速率越大，則反應(yīng)開始時(shí)，丙中的反應(yīng)速率最快，甲中的反應(yīng)最慢，故A正確；
B． 以甲計(jì)算：
           H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始/mol/L：0.01    0.01      0        0
轉(zhuǎn)化/mol/L：x       x         x        x
平衡/mol/L：0.01-x  0.01-x     x       x
則$\frac{{x}^{2}}{（0.01-x）^{2}}$=$\frac{1}{9}$，x=0.0025，則平衡時(shí)甲中的H₂O的轉(zhuǎn)化率均是$\frac{0.0025}{0.01}$=25%，由于甲和丙的氣體的比值相同，且該反應(yīng)為前后氣體的計(jì)量數(shù)相同，為等效平衡狀態(tài)，則丙中H₂的轉(zhuǎn)化率也為25%，故B正確；
C．由B計(jì)算可知，平衡時(shí)，丙中的c（CO₂）是甲中的2倍，應(yīng)為2×0.0025mol/L=0.005mol/L，故C錯(cuò)誤；
D．乙與甲相比較，相當(dāng)于在甲的基礎(chǔ)上通入H₂O，則水的轉(zhuǎn)化率下降，平衡時(shí)，乙中的水的轉(zhuǎn)化率小于25%，故D錯(cuò)誤．
故答案為：CD．

點(diǎn)評 本題考查學(xué)生熱化學(xué)方程式的書寫以及化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率的計(jì)算知識，注意知識的積累是關(guān)鍵，難度中等，注意利用三段式法計(jì)算，易錯(cuò)點(diǎn)為（4），注意對等效平衡的理解和運(yùn)用．