Question

12．（1）工业上了利用“甲烷蒸气转化法”生产氢气，反应为甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下生成一氧化碳和氢气，有关反应的能量变化如图1：
则该反应的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol．
（2）CH₄燃烧之后的产物用NaOH溶液吸收，常温下，在该吸收液中滴加稀盐酸至中性时，溶质的主要成分有NaHCO₃、NaCl、CO₂．
（3）已知温度、压强对甲烷平衡含量的影响如图2，请回答：
①图2中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1Mpa、2Mpa时甲烷含量曲线，其中表示1Mpa的是a．
②该反应的平衡常数：600℃时＜700℃（填“＞”“＜”或“=”）
③已知：在700℃，1Mpa时，1molCH₄与1molH₂O在1L的密闭容器中反应，6min达到平衡（如图3），此时甲烷的转化率为80%，该温度下反应的平衡常数为276.5mol²•L^-2（结果保留小数点后一位数字）
④从图3分析，由第一次平衡到第二次平衡，平衡移动的方向是向逆反应方向（填“向正反应方向”或“向逆反应方向”），采取的措施可能是将容器体积缩小为原来的 $\frac{1}{2}$或加入等量的氢气．

Answer 1

分析 （1）由图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；
由盖斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H；
（2）CH₄燃烧之后的产物CO₂，用NaOH溶液吸收后溶液中可能有碳酸钠、碳酸氢钠或过量的NaOH，含有这三种物质的溶液均显碱性，但CO₂常温下在水中有一定的溶解度，其水溶液显酸性；
（3）①由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷的平衡含量会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲线a，2Mpa的是曲线b；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大；
③CH₄（g）+H₂O（g） $\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为 $\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
④由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，平衡均是逆向移动．

解答 解：（1）由图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；
由盖斯定律可知，②-3×①得CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=-564.3kJ/mol-3×（-241.8kJ/mol）=+161.1kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol；
（2）在吸收了CH4燃烧产物后的混合溶液中滴加稀盐酸，若碳酸钠与碳酸氢钠完全反应，则所得溶液因溶解了生成的二氧化碳而显酸性；若溶液呈中性，则溶液中应有少量NaHCO₃剩余，所以溶质的主要成分有NaCl、NaHCO₃、CO₂，故答案为：NaCl、NaHCO₃、CO₂；
（3）①由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷的平衡含量会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲线a，2Mpa的是曲线b，
故答案为：a；
②由CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，因此该反应的平衡常数：600℃时小于700℃，
故答案为：＜；
③CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;催化剂\;\;}}{高温高压}$CO₂（g）+3H₂（g）
起始（mol/L）：1        1           0        0
变化（mol/L）：0.8       0.8        0.8      2.4
平衡（mol/L）：0.2       0.2        0.8      2.4
此时CH₄的转化率为$\frac{0.8}{1}$×100%=80%；
该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.8mol/L×（2.4mol/L）^{3}}{0.2mol/L×0.2mol/L}$=276.5mol²•L^-2；
故答案为：80%；276.5mol²•L^-2；
④由图3可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的 $\frac{1}{2}$或增加了等量的氢气，无论是增大压强，还是增大氢气的浓度，平衡均是逆向移动，
故答案为：向逆反应方向；将容器体积缩小为原来的 $\frac{1}{2}$或加入等量的氢气．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、化学平衡影响因素和化学平衡常数以及转化率的计算、燃料电池的电极反应式的书写，综合性较强，为历年高考高频考点，侧重于化学反应原理和图象分析能力的培养，题目难度中等．