Question

12．（1）工業上了利用“甲烷蒸氣轉化法”生產氫氣，反應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，有關反應的能量變化如圖1：
則該反應的熱化學方程式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，溶質的主要成分有NaHCO₃、NaCl、CO₂．
（3）已知溫度、壓強對甲烷平衡含量的影響如圖2，請回答：
①圖2中a、b、c、d四條曲線中的兩條代表壓強分別為1Mpa、2Mpa時甲烷含量曲線，其中表示1Mpa的是a．
②該反應的平衡常數：600℃時＜700℃（填“＞”“＜”或“=”）
③已知：在700℃，1Mpa時，1molCH₄與1molH₂O在1L的密閉容器中反應，6min達到平衡（如圖3），此時甲烷的轉化率為80%，該溫度下反應的平衡常數為276.5mol²•L^-2（結果保留小數點后一位數字）
④從圖3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡移動的方向是向逆反應方向（填“向正反應方向”或“向逆反應方向”），采取的措施可能是將容器體積縮小為原來的 $\frac{1}{2}$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燃燒之后的產物CO₂，用NaOH溶液吸收后溶液中可能有碳酸鈉、碳酸氫鈉或過量的NaOH，含有這三種物質的溶液均顯堿性，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，平衡向正反應方向移動，甲烷的平衡含量會逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強，平衡逆向移動，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，平衡向正反應方向移動，平衡常數增大；
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CH₄的轉化率為 $\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應的平衡常數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，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，平衡均是逆向移動．

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，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，則溶液中應有少量NaHCO₃剩余，所以溶質的主要成分有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，平衡向正反應方向移動，甲烷的平衡含量會逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強，平衡逆向移動，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，平衡向正反應方向移動，平衡常數增大，因此該反應的平衡常數：600℃時小于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CH₄的轉化率為$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
該溫度下反應的平衡常數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，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氫氣，無論是增大壓強，還是增大氫氣的濃度，平衡均是逆向移動，
故答案為：向逆反應方向；將容器體積縮小為原來的 $\frac{1}{2}$或加入等量的氫氣．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、化學平衡影響因素和化學平衡常數以及轉化率的計算、燃料電池的電極反應式的書寫，綜合性較強，為歷年高考高頻考點，側重于化學反應原理和圖象分析能力的培養，題目難度中等．