Question

合成氣（CO和H₂）是重要的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用．
（1）工業(yè)上用甲烷和水蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)制備合成氣（CO和H₂），4g甲烷完全反應(yīng)吸收51.5KJ熱量，寫該反應(yīng)的熱化學方程式

CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol

（2）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1，由反應(yīng)（1）制備的合成氣10m³（已折成標況），完全燃燒所提供的能量為

1.125×10⁵

kJ
（3）工業(yè)上常用合成氣來冶煉金屬，其中CO還原氧化鐵來冶煉生鐵方程式如下：
3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反應(yīng)在體積不變的密閉容器中發(fā)生，當反應(yīng)達到平衡時，

AD

．
A．容器中Fe₂O₃的質(zhì)量不隨時間而變化     B．反應(yīng)物不再轉(zhuǎn)化為生成物
C．n （CO）：n （CO₂）=1：1                D．容器中氣體的壓強不隨時間而變化
②在一個容積為4L的密閉容器中，1000℃時加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反應(yīng)2分鐘后達到平衡，測得此時容器內(nèi)氣體的密度為40g/L，求該時間范圍內(nèi)反應(yīng)的平均反應(yīng)速率υ（CO₂）=

0.375mol/L?min

、CO的平衡轉(zhuǎn)化率=

75%

、該反應(yīng)的化學平衡常數(shù)K=

27

．
③如果在3分鐘時向②的平衡體系中再加入2mol CO（g），其它條件不變，經(jīng)過2分鐘反應(yīng)又達到平衡．請畫出②、③c（CO）、c（CO₂） 隨時間變化的圖象．

Answer 1

分析：（1）依據(jù)題干條件計算4g甲烷物質(zhì)的量，完全反應(yīng)吸收51.5KJ熱量，結(jié)合反應(yīng)產(chǎn)物寫出熱化學方程式，注意物質(zhì)的聚集狀態(tài)和對應(yīng)物質(zhì)的量下的反應(yīng)焓變計算；
（2依據(jù)蓋斯定律結(jié)合熱化學方程式計算得到一氧化碳和氫氣燃燒放出的熱量；
（3）①依據(jù)化學平衡的標志分析判斷，實質(zhì)是正逆反應(yīng)速率相等；
②依據(jù)化學平衡的三段式列式計算；反應(yīng)速率的概念、轉(zhuǎn)化率概念、化學平衡常數(shù)概念，的計算應(yīng)用；
③依據(jù)一氧化碳和二氧化碳隨反應(yīng)進行變化的量和平衡量分析畫出；

解答：解：（1）4g甲烷完全反應(yīng)吸收51.5KJ熱量，16g甲烷和水反應(yīng)吸收熱量為206KJ；反應(yīng)的熱化學方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1；
②CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206KJ/mol；
依據(jù)蓋斯定律，①-②得到：CO（g）+3H₂（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1008KJ/mol；
合成氣10m³物質(zhì)的量=

104L

22.4L/mol

=

104

22.4

mol，結(jié)合熱化學方程式可知，4mol一氧化碳和氫氣完全燃燒放熱放熱1008KJ，所以

104

22.4

mol，混合氣體完全燃燒放出的熱量=

104 22.4 ×1008

4

=1.125×10⁵KJ；
故答案為：1.125×10⁵KJ；
（3）3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）△H＜0
①如果上述反應(yīng)在體積不變的密閉容器中發(fā)生，當反應(yīng)達到平衡時：
A、容器中Fe₂O₃的質(zhì)量不隨時間而變化，說明反應(yīng)達到平衡，故A符合；
B、平衡時，正逆反應(yīng)都進行只是正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相同，故B不符合；
C、一氧化碳和二氧化碳的物質(zhì)的量之比和起始量有關(guān)，n （CO）：n （CO₂）不一定為1：1，故C不符合；
D、反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)，平衡時容器中氣體的壓強不隨時間而變化，故D正確；
故答案為：AD；
②在一個容積為4L的密閉容器中，1000℃時加入4mol CO（g）和足量Fe₂O₃（s），反應(yīng)2分鐘后達到平衡，測得此時容器內(nèi)氣體的密度為40g/L，設(shè)反應(yīng)的一氧化碳物質(zhì)的量為x：
                  3CO（g）+Fe₂O₃（s）═3CO₂（g）+2Fe（s）
起始量（mol）     4                     0
變化量（mol）     x                     x
平衡量（mol）    4-x                    x
容器內(nèi)氣體的密度為40g/L：

(4-x)×28g/mol+x×44g/mol

4

=40g/L計算得到x=3mol；
該時間范圍內(nèi)反應(yīng)的平均反應(yīng)速率υ（CO₂）=

3mol 4L

2min

=0.375mol/L；
CO的平衡轉(zhuǎn)化率=

3mol

4mol

×100%=75%
該反應(yīng)的化學平衡常數(shù)K=

[CO2]3

[CO]3

=

( 3 4 )3

( 1 4 )3

=27；
故答案為：0.375mol/L  75%   27；
③起始量一氧化碳得到濃度為1mol/L；平衡時一氧化碳濃度為0.25mol/L；二氧化碳平衡濃度為0.75mol/L；如果在3分鐘時向②的平衡體系中再加入2mol CO（g），其它條件不變，經(jīng)過2分鐘反應(yīng)又達到平衡；平衡后一氧化碳轉(zhuǎn)化率不變?yōu)?5%，所以平衡后一氧化碳濃度為0，375mol/L；二氧化碳平衡濃度為1.125mol/L；結(jié)合時間畫出圖象為：


故答案為：

點評：本題考查了熱化學方程式的書寫，蓋斯定律的計算應(yīng)用，化學平衡的特征分析，化學平衡的三段式計算，反應(yīng)速率，轉(zhuǎn)化率，化學平衡常數(shù)的概念應(yīng)用，平衡圖象的數(shù)值計算和畫法，題目難度大．