Question

16．用甲烷和二氧化碳可以制備化工原料．
（1）一定溫度下，向容積恒為2L的密閉容器中通入3mol CO₂，3mol CH₄，發(fā)生如下反應(yīng)：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
反應(yīng)在2min末達到平衡狀態(tài)，此時測得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等．清回答下列問題：
①2min內(nèi)，用H₂來表示的反應(yīng)速率v（H₂）=0.5mol/（L•min）；
②此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=1；
③下列敘述可以作為該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的標(biāo)志的是BC；（填選項字母）
A．v_正（CH₄）=v_逆（H₂）
B．容器內(nèi)壓強保持恒定不變
C．反應(yīng)中斷裂2mol C-H鍵同時消耗1mol H₂
D．容器內(nèi)混合氣體的密度保持恒定不變
④已知：

物質(zhì)	H2	CO	CH4	CH3COOH
燃燒熱（kJ/mol）	286	283	890	874

則反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248kJ/mol．
⑤為提高CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是減小反應(yīng)壓強、增大CO₂的濃度．（寫兩點）
（2）在催化作用下，甲烷和二氧化碳還可以直接轉(zhuǎn)化成乙酸．
①在不同溫度下乙酸的生成速率如圖所示：
在250-400℃范圍內(nèi)，乙酸的生成速率隨溫度變化的原因是溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低．
②250℃與400℃時乙酸的生成速率相近，清分析判斷實際生產(chǎn)選擇的最佳溫度是250℃．

Answer 1

分析 結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算，一定溫度下，向容積恒定為2L的密閉容器中通入3mol CO₂、3mol CH₄，發(fā)生如下反應(yīng)：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)在2min末達到平衡狀態(tài)，此時測得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等，設(shè)反應(yīng)達到平衡狀態(tài)消耗二氧化碳濃度為x，
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol/L） 1.5 1.5 0 0
變化量（mol/L） x x 2x 2x
平衡量（mol/L）1.5-x 1.5-x 2x 2x
此時測得CO₂和 CO的體積分?jǐn)?shù)相等，濃度相同，則1.5-x=2x
x=0.5mol/L
（1）①氫氣反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$；
②平衡常數(shù)等于配合狀態(tài)下生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算平衡濃度；
③根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，當(dāng)反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時，說明可逆反應(yīng)到達平衡狀態(tài)．
④依據(jù)燃燒熱概念書寫三種氣體的燃燒熱的熱化學(xué)方程式，依據(jù)蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式得到反應(yīng)焓變；
⑤根據(jù)外界條件對化學(xué)平衡的影響，平衡正向移動，反應(yīng)物甲烷轉(zhuǎn)化率增大；
（2）①根據(jù)溫度對催化劑活性的影響；
②從綜合經(jīng)濟效益考慮，是因為250℃時，催化劑的催化效果最好，提高溫度耗費較高的能量，并且低溫條件有利于平衡向著正反應(yīng)方向移動．

解答 解：結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算，一定溫度下，向容積恒定為2L的密閉容器中通入3mol CO₂、3mol CH₄，發(fā)生如下反應(yīng)：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)在2min末達到平衡狀態(tài)，此時測得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等，設(shè)反應(yīng)達到平衡狀態(tài)消耗二氧化碳濃度為x，
             CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol/L） 1.5    1.5      0        0
變化量（mol/L） x       x         2x         2x
平衡量（mol/L）1.5-x  1.5-x      2x          2x
此時測得CO₂和 CO的體積分?jǐn)?shù)相等，濃度相同，則1.5-x=2x，解得x=0.5mol/L
（1）①2min內(nèi)，用H₂來表示的反應(yīng)速率v（H₂）=$\frac{2×0.5mol/L}{2min}$=0.5mol/L•min，故答案為：0.5mol/L•min；
②平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}=\frac{（2×0.5）^{2}×（2×0.5）^{2}}{（1.5-0.5）×（1.5-0.5）}$=1，故答案為：1；
③CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，
A．速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比，2v_正（CH₄）=v_正（H₂），當(dāng)2v_正（CH₄）=v_逆（H₂），反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，但v_正（CH₄）=2v_逆（H₂）不符合速率之比，不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)容器內(nèi)壓強保持恒定不變，說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．反應(yīng)中斷裂4molC-H鍵同時消耗2mol H₂ ，說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，反應(yīng)中斷裂2molC-H鍵同時消耗1mol H₂，說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量和體積不變，容器內(nèi)混合氣體的密度始終保持恒定不變不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故D錯誤；故選BC．
④氫氣燃燒熱的熱化學(xué)方程式：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ/mol ①
CO燃燒熱的熱化學(xué)方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283kJ/mol ②
CH₄燃燒熱的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol ③
依據(jù)蓋斯定律計算，③-②×2+①×2得到反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248kJ/mol，故答案為：248kJ/mol；
⑤反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，減小反應(yīng)壓強、增大CO₂的濃度，平衡正向移動，反應(yīng)物甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：減小反應(yīng)壓強、增大CO₂的濃度；
（2）①溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案：溫度超過250℃時，催化劑的催化效率降低；
②工業(yè)生產(chǎn)中該反應(yīng)的溫度常選擇250℃、不選擇400℃，從綜合經(jīng)濟效益考慮，是因為250℃時，催化劑的催化效果最好，提高溫度耗費較高的能量，并且低溫條件有利于平衡向著正反應(yīng)方向移動，故答案為：250℃．

點評 本題考查熱化學(xué)反應(yīng)方程式計算、速率概念和化學(xué)化學(xué)平衡常數(shù)的相關(guān)計算、化學(xué)平衡移動原理應(yīng)用，綜合性很強，難度中等．