Question

碳元素的化合物如甲烷、碳酸鈣在自然界儲量豐富，分布廣泛，有非常重要的用途．
工業(yè)上可利用“甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)氫氣”，反應(yīng)為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．
已知溫度、壓強(qiáng)和水碳比[n（H₂O）/n（CH₄）]對甲烷平衡含量的影響如下圖：

（1）溫度對該反應(yīng)的反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)的影響是

其他條件不變，升高溫度，反應(yīng)速率加快，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)

．
（2）其他條件不變，請?jiān)趫D2中畫出壓強(qiáng)為2MPa時(shí)，CH₄平衡含量與水碳比之間關(guān)系曲線．
（3）已知：在700℃，1MPa時(shí)，1mol CH₄與一定量H₂O在1L的密閉容器中反應(yīng)，6分鐘達(dá)到平衡，此時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率為80%，對應(yīng)的熱量變化為aKJ，則這6分鐘的平均反應(yīng)速率v（H₂）為

0.4 mol/（L?min）

；此條件下該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為

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

．
（4）CaCO₃是一種難溶物，其K_sp=2.8×10^-9．現(xiàn)將 amol/L的CaCl₂溶液與2.0×10^-4mol/L Na₂CO₃溶液等體積混合（假設(shè)溶液體積可直接相加），若要生成CaCO₃沉淀，則a的最小值為

5.6×10^-5

 mol/L．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)圖象中甲烷含量隨溫度變化分析；
（2）根據(jù)壓強(qiáng)不變時(shí)，甲烷的百分含量隨水碳比增大而減小來畫出曲線；
（3）根據(jù)甲烷的量求出生成的氫氣的量，然后求出氫氣的反應(yīng)速率；根據(jù)反應(yīng)中熱量變化為aKJ，求出1mol甲烷反應(yīng)的熱量，再寫出熱化學(xué)方程式；
（4）Na₂CO₃溶液的濃度為2×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-4mol/L，根據(jù)Ksp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）計(jì)算沉淀時(shí)混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍．．

解答：解：（1）由圖象可知，其他條件不變，升高溫度，反應(yīng)速率加快，甲烷的百分含量減小，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，
故答案為：其他條件不變，升高溫度，反應(yīng)速率加快，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（2）其他條件不變，壓強(qiáng)為2MPa時(shí)，CH₄平衡含量隨水碳比的增大而減小，其關(guān)系曲線為，故答案為：；
（3）參加反應(yīng)的CH₄為：1mol×80%=0.8mol，所以生成的氫氣為：n（H₂）=3n（CH₄）=2.4mol，v（H₂）=

△n V

t

=

2.4mol 1L

6min

=0.4 mol/（L?min）；
由圖象可知，其他條件不變，升高溫度，甲烷百分含量減少，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，
已知參加反應(yīng)的物質(zhì)的量之比等于熱量比，則

0.8mol

aKJ

=

1mol

△H

，所以1mol甲烷反應(yīng)吸收熱量為：1.25a KJ，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+1.25a KJ/mol
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+1.25a KJ/mol；
（4）（2）Na₂CO₃溶液的濃度為2×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×2×10^-4mol/L=1×10^-4mol/L，根據(jù)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溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為2×2.8×10^-5mol/L=5.6×10^-5mol/L，
故答案為：5.6×10^-5mol/L．

點(diǎn)評：本題考查化學(xué)平衡移動(dòng)以及平衡移動(dòng)圖象問題，熱化學(xué)方程式的書寫，沉淀溶解平衡的應(yīng)用，題目難度較大．