Question

碳元素的化合物如甲烷、碳酸钙在自然界储量丰富，分布广泛，有非常重要的用途．
工业上可利用“甲烷蒸气转化法生产氢气”，反应为：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．
已知温度、压强和水碳比[n（H₂O）/n（CH₄）]对甲烷平衡含量的影响如下图：

（1）温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是

其他条件不变，升高温度，反应速率加快，平衡向正反应方向移动

．
（2）其他条件不变，请在图2中画出压强为2MPa时，CH₄平衡含量与水碳比之间关系曲线．
（3）已知：在700℃，1MPa时，1mol CH₄与一定量H₂O在1L的密闭容器中反应，6分钟达到平衡，此时CH₄的转化率为80%，对应的热量变化为aKJ，则这6分钟的平均反应速率v（H₂）为

0.4 mol/（L?min）

；此条件下该反应的热化学方程式为

CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+1.25a KJ/mol

．
（4）CaCO₃是一种难溶物，其K_sp=2.8×10^-9．现将 amol/L的CaCl₂溶液与2.0×10^-4mol/L Na₂CO₃溶液等体积混合（假设溶液体积可直接相加），若要生成CaCO₃沉淀，则a的最小值为

5.6×10^-5

 mol/L．

Answer 1

分析：（1）根据图象中甲烷含量随温度变化分析；
（2）根据压强不变时，甲烷的百分含量随水碳比增大而减小来画出曲线；
（3）根据甲烷的量求出生成的氢气的量，然后求出氢气的反应速率；根据反应中热量变化为aKJ，求出1mol甲烷反应的热量，再写出热化学方程式；
（4）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-4mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍．．

解答：解：（1）由图象可知，其他条件不变，升高温度，反应速率加快，甲烷的百分含量减小，平衡向正反应方向移动，
故答案为：其他条件不变，升高温度，反应速率加快，平衡向正反应方向移动；
（2）其他条件不变，压强为2MPa时，CH₄平衡含量随水碳比的增大而减小，其关系曲线为，故答案为：；
（3）参加反应的CH₄为：1mol×80%=0.8mol，所以生成的氢气为：n（H₂）=3n（CH₄）=2.4mol，v（H₂）=

△n V

t

=

2.4mol 1L

6min

=0.4 mol/（L?min）；
由图象可知，其他条件不变，升高温度，甲烷百分含量减少，平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应，
已知参加反应的物质的量之比等于热量比，则

0.8mol

aKJ

=

1mol

△H

，所以1mol甲烷反应吸收热量为：1.25a KJ，该反应的热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+1.25a KJ/mol
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+1.25a KJ/mol；
（4）（2）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×2×10^-4mol/L=1×10^-4mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

1×10-4

mol/L=2.8×10^-5mol/L，原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为2×2.8×10^-5mol/L=5.6×10^-5mol/L，
故答案为：5.6×10^-5mol/L．

点评：本题考查化学平衡移动以及平衡移动图象问题，热化学方程式的书写，沉淀溶解平衡的应用，题目难度较大．