Question

5．合成氨工业中氢气可由天然气和水蒸汽反应制备，其主要反应为：CH₄+2H₂O?CO₂+4H₂，已知：
CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44KJ/mol
（1）写出由天然气和水蒸汽反应制备H₂的热化学方程式：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ/mol．
（2）某温度下，10L密闭容器中充入2mol CH₄和3mol H₂O（g），发生CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）反应，过一段时间反应达平衡，平衡时容器的压强是起始时的1.4倍．
则①平衡时，CH₄的转化率为50%，H₂的浓度为0.4mol/L，反应共放出或吸收热量165.2KJ．
②升高平衡体系的温度，混合气体的平均相对分子质量变小，密度不变．（填“变大”“变小”或“不变”）．
③当达到平衡时，充入氩气，并保持压强不变，平衡将正向（填“正向”“逆向”或“不”）移动．
④若保持恒温，将容器压缩为5L（各物质仍均为气态），平衡将逆向（填“正向”“逆向”或“不”）移动．达到新平衡后，容器内H₂浓度范围为0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44KJ/mol
根据盖斯定律①-②×2+③×2进行计算；
（2）①根据CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）反应，列三段式进行计算；
②根据（1）的分析，该反应为吸热反应，升高平衡体系的温度，平衡向正反应方向移动，根据平均相对分子质量=$\frac{m}{n}$和ρ=$\frac{m}{V}$进行判断；
③充入氩气，并保持压强不变，则体积增大，相当于反应体系的压强减小，平衡向气体体积增大的方向移动；
④保持恒温，将容器压缩为5L（各物质仍均为气态）即增大压强，平衡将向气体体积减小的方向移动，但氢气的浓度仍然增大．

解答 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890KJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44KJ/mol
根据盖斯定律①-②×2+③×2，得CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=（-890+571.6×2-44×2）KJ/mol=+165.2KJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.2kJ/mol；
（2）①设甲烷转化的浓度为xmol/L，
根据          CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂ （g）
开始（mol/L） 0.2      0.3        0         0
转化（mol/L） x        2x         x         4x
平衡（mol/L）0.2-x     0.3-2x     x          4x
$\frac{0.2-x+0.3-2x+x+4x}{0.2+0.3}$=1.4，解得x=0.1，所以CH₄的转化率为$\frac{0.1}{0.2}$×100%=50%，H₂的浓度为0.1×4=0.4mol/L，反应共吸收热量0.1mol/L×10L×165.2KJ/mol=165.2KJ
故答案为：50%；0.4mol/L；165.2；
②根据（1）的分析，该反应为吸热反应，升高平衡体系的温度，平衡向正反应方向移动即总物质的量增大，又总质量不变，所以平均相对分子质量=$\frac{m}{n}$变小，总体积又没变，所以ρ=$\frac{m}{V}$不变，故答案为：变小；不变；
③充入氩气，并保持压强不变，则体积增大，相当于反应体系的压强减小，平衡向气体体积增大即正反应的方向移动，故答案为：正向；
④保持恒温，将容器压缩为5L（各物质仍均为气态）即增大压强，平衡将向气体体积减小即逆反应的方向移动，当将容器压缩为5L时氢气的瞬间浓度变为0.8mol/L，但平衡将向气体体积减小即逆反应的方向移动，氢气浓度再减小但最终达平衡时仍然大于原来的浓度0.4mol/L，所以达到新平衡后，容器内H₂浓度范围为
0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L，故答案为：逆向；0.4mol/L＜c（H₂）＜0.8mol/L．

点评 本题考查盖斯定律的应用、转化率的计算、平衡浓度、平衡移动原理等知识，题目难度中等，注意掌握化学平衡移动原理及影响因素．