Question

19．甲烷是天然气的主要成分，是一种重要的清洁能源和化工原料．
（1）煤制天然气时会发生多个反应，生产过程中有多种途径生成CH₄．
已知：C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1
写出CO与H₂O（g）反应生成H₂和CO₂的热化学方程式CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-41kJ/mol．
（2）天然气中含有H₂S杂质，某科研小组用氨水吸收得到NH₄HS溶液，
已知T℃，k（NH₃•H₂O）=1.74×10^-5，k₁（H₂S）=1.07×10^-7，k₂（H₂S）=1.74×10^-13，NH₄HS溶液中所含粒子浓度大小关系正确的是ac．
a．[NH₄⁺]＞[HS^-]＞[OH^-]＞[H⁺]b．[HS^-]＞[NH₄⁺]＞[S^2-]＞[H⁺]
c．[NH₄⁺]＞[HS^-]＞[H₂S]＞[H⁺]d．[HS^-]＞[S^2-]＞[H⁺]＞[OH^-]
（3）工业上常用CH₄与水蒸气在一定条件下来制取H₂，其原理为：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）．
①该反应的逆反应速率表达式为：v=kc（CO）c³（H₂），k为速率常数，在某温度下，测得实验数据如表：

CO浓度（mol•L-1）	H2浓度（mol•L-1）	逆反应速率（mol•L-1•min-1）
0.1	c1	9.6
c2	c1	19.2
c2	0.3	64.8

由上述数据可得该温度下，上述反应的逆反应速率常数k为1.2×10⁴ L³•mol^-3•min^-1．
②在体积为2L的密闭容器中通入物质的量均为2mol的CH₄和水蒸气，在一定条件下发生反应，测得H₂的体积分数与温度及压强的关系如图2所示，则压强P₁大于P₂（填“大于”或“小于”）；温度T₃小于T₄（填“大于”或“小于”）；
③压强为P₁时，在N点：v_正大于v_逆（填“大于”、“小于”或“等于”）． 求N点对应温度下该反应的平衡常数K=48．

Answer 1

分析 （1）C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1①
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1②
CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1③
将方程式①+②-③得CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），焓变进行相应的改变；
（2）根据电离平衡常数知，一水合氨电离程度大于硫化氢电离程度，所以NH₄HS溶液铵根离子水解程度小于HS-水解程度，溶液呈碱性，则[OH^-]＞[H⁺]，但铵根离子和硫化氢离子水解程度都较小；硫氢根离子水解程度大于其电离程度；
（3）①$\frac{19.2}{9.6}$=2=$\frac{k{c}_{2}（{c}_{1}）^{3}}{k×0.1×（{c}_{1}）^{3}}$，c₂=0.2，64.8=k（c2）．（0.3）³=k×0.2×（0.3）³，据此计算k值；
②相同温度下，增大压强平衡逆向移动，则氢气体积分数降低；同一压强下，升高温度平衡向吸热方向移动，根据温度与氢气体积分数关系确定反应热；
③N点时要使反应达到平衡状态，反应应该向正反应方向移动；
设参加反应的甲烷物质的量浓度为xmol/L
该反应CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）1       1               0           0
反应（mol/L）x       x               x          3x
平衡（mol/L）1-x   1-x             x           3x
化学平衡常数只与温度有关，温度不变化学平衡常数不变，达到平衡状态时氢气体积分数为60%，
则$\frac{3x}{1-x+1-x+x+3x}$×100%=60%，x=$\frac{2}{3}$，
化学平衡常数K=$\frac{x．（3x）^{3}}{（1-x）^{2}}$．

解答 解：（1）C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1 ①
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1 ②
CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1 ③
将方程式①+②-③得CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=（-73kJ•mol^-1 ）+（-171kJ•mol^-1）-（-203kJ•mol^-1 ）=-41kJ/mol，
故答案为：CO（g）+H₂O（g）=H₂（g）+CO₂（g），△H=-41kJ/mol；
（2）根据电离平衡常数知，一水合氨电离程度大于硫化氢电离程度，所以NH₄HS溶液铵根离子水解程度小于HS-水解程度，溶液呈碱性，则[OH^-]＞[H⁺]，但铵根离子和硫化氢离子水解程度都较小，所以离子浓度大小顺序是[NH₄⁺]＞[HS^-]＞[OH^-]＞[H⁺]，硫氢根离子水解程度大于其电离程度，所以还存在：[NH₄⁺]＞[HS^-]＞[H₂S]＞[H⁺]，
故选ac；
（3）①$\frac{19.2}{9.6}$=2=$\frac{k{c}_{2}（{c}_{1}）^{3}}{k×0.1×（{c}_{1}）^{3}}$，c₂=0.2，64.8=k（c2）．（0.3）³=k×0.2×（0.3）³，k=1.2×10⁴ ，
故答案为：1.2×10⁴；
②相同温度下，增大压强平衡逆向移动，则氢气体积分数降低，根据图知，P1条件下氢气体积分数小于P2条件下的氢气体积分数，则P₁ 大于P₂；同一压强下，升高温度平衡向吸热方向移动，该反应的正反应是吸热反应，升高温度氢气体积分数增大，则T₃ 小于T₄，
故答案为：大于；小于；
③N点时要使反应达到平衡状态，反应应该向正反应方向移动，则v_正大于v_逆；
设参加反应的甲烷物质的量浓度为xmol/L
该反应CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）1       1               0           0
反应（mol/L）x       x               x          3x
平衡（mol/L）1-x   1-x             x           3x
化学平衡常数只与温度有关，温度不变化学平衡常数不变，达到平衡状态时氢气体积分数为60%，
则$\frac{3x}{1-x+1-x+x+3x}$×100%=60%，x=$\frac{2}{3}$，
化学平衡常数K=$\frac{x．（3x）^{3}}{（1-x）^{2}}$=$\frac{\frac{2}{3}．（3×\frac{2}{3}）^{3}}{（1-\frac{2}{3}）^{2}}$=48，
故答案为：大于；48．

点评 本题考查盖斯定律、盐类水解、化学平衡计算，为高频考点，侧重考查学生分析判断及计算能力，明确电离平衡常数与离子水解程度关系、三段式在化学平衡计算中的灵活运用是解本题关键，注意（3）不能根据N点浓度计算其化学平衡常数，应该用平衡时各物质浓度计算化学平衡常数，为易错点．