Question

10．目前“低碳經濟”正成為科學家研究的主要課題．請回答下列問題：
Ⅰ．（1）甲烷自熱重整是一種先進的制氫方法，其反應方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
閱讀下圖，計算該反應的反應熱△H=+161.1kJ/mol．

（2）以CH₄、O₂為原料，100mL0.15mol/LNaOH溶液為電解質設計成燃料電池，若放電時參與反應的氧氣體積為448mL（標準狀況），產生的氣體全部被溶液吸收，則所得溶液中各離子濃度由大到小的順序為c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
Ⅱ．一定條件下，治理汽車尾氣的反應是2NO（g）+2CO（g）?2CO₂（g）+N₂（g）△H＜0．在恒溫恒容的密閉容器中通入n（NO）：n（CO）=2：1的混合氣體，發(fā)生上述反應．下列圖象正確且能說明反應在進行到t₁時刻一定達到平衡狀態(tài)的是AD（選填字母）．

Ⅲ．相同溫度下，在兩個容積均為2L的密閉容器中，分別發(fā)生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．相關數(shù)據(jù)如下：

容器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2（g）和3molH2（g）	1molCH3OH（g）和1molH2O（g）
平衡時c（CH3OH）	C1	C2
平衡時能量變化	放出29.4kJ	吸收akJ

請回答：
（1）n=19.6kJ．
（2）若甲中反應10s時達到平衡，則用CO₂來表示甲中反應從開始到平衡過程中的平均反應速率是0.03mol•L^-1•s^-1．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）由能量圖，可得：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-③×3+②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），反應熱也進行相應計算；
（2）參與反應的氧氣物質的量為 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根據(jù)電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，發(fā)生反應：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所得溶液中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，鈉離子濃度最大，由于水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子；
Ⅱ．A．t₃時刻起反應物的轉化率不變，說明到達平衡；
B．平衡常數(shù)與溫度有關，溫度不變，則平衡常數(shù)始終不變；
C．t₁時刻NO與二氧化碳物質的量相等，而后NO物質的量減小、二氧化碳物質的量增大，故t₁時刻反應向正反應進行；
D．起始n（NO）：n（CO）=2：1，二者按1：1反應，隨反應進行n（NO）：n（CO）增大，二者之比不再變化，說明到達平衡；
Ⅲ．（1）甲與乙為完全等效平衡，平衡時同一物質的物質的量相同，則a+29.4=49；
（2）根據(jù)反應放出的熱量計算消耗的二氧化碳物質的量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂）．

解答 解：Ⅰ（1）由能量圖，可得：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•moL^-1
②CO₂（g）═CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+282kJ•moL^-1
③$\frac{1}{2}$O₂（g）+H₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•moL^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-③×3+②可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），故△H=（-846.3+241.8×3+282）kJ•moL^-1=+161.1kJ•moL^-1，
故答案為：+161.1；
（2）參與反應的氧氣物質的量為 $\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，根據(jù)電子轉移守恒可知，生成二氧化碳為 $\frac{0.02mol×4}{8}$=0.01mol，n（NaOH）=0.1L×0.15mol•L^-1=0.015mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.015mol：0.01mol=3：2，發(fā)生反應：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，所得溶液中n（Na₂CO₃）：n（NaHCO₃）=1：1，溶液中碳酸根水解，碳酸氫根的水解大于電離，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解程度大于碳酸氫根，故c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），鈉離子濃度最大，水解程度不大，碳酸根濃度原大于氫氧根離子，故c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
Ⅱ．A．隨反應進行反應物轉化率增大，t₃時刻起反應物的轉化率不變，說明到達平衡，故A正確；
B．平衡常數(shù)與溫度有關，溫度不變，則平衡常數(shù)始終不變，平衡常數(shù)不能說明到達平衡，故B錯誤；
C．t₁時刻NO與二氧化碳物質的量相等，而后NO物質的量減小、二氧化碳物質的量增大，故t₁時刻反應向正反應進行，故C錯誤；
D．起始n（NO）：n（CO）=2：1，二者按1：1反應，隨反應進行n（NO）：n（CO）增大，二者之比不再變化，說明到達平衡，故D正確，
故選：AD；
Ⅲ．（1）甲與乙為完全等效平衡，平衡時同一物質的物質的量相同，則a+29.4=49，故a=19.6，
故答案為：19.6；
（2）甲中平衡時放出29.4kJ熱量，則消耗的二氧化碳物質的量為$\frac{29.4kJ}{49kJ/mol}$=0.6mol，則v（CO₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10s}$=0.03mol/（L．min），
故答案為：0.03mol．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡狀態(tài)特征、反應熱計算、離子濃度大小比較等，題目涉及的知識點較多，需要學生具備扎實的基礎，Ⅲ中（1）注意對規(guī)律的理解掌握，題目難度中等．