Question

研究CO₂與CH₄的反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為CO和H₂，對減緩燃料危機(jī)，減少溫室效應(yīng)具有重要的意義．
（1）已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1
則CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=

 

kJ?mol^-1
（2）在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol?L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示．據(jù)圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄ 由大到小的順序

 

．在壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時達(dá)到平衡點X，則用CO表示該反應(yīng)的速率為

 

．該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

．

（3）CO和H₂在工業(yè)上還可以通過反應(yīng)C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）來制�。�
①在恒溫恒容下，如果從反應(yīng)物出發(fā)建立平衡，可認(rèn)定平衡已達(dá)到的是

 

．
A．體系壓強(qiáng)不再變化                B．H₂與CO的物質(zhì)的量之比為1：1
C．混合氣體的密度保持不變           D．氣體平均相對分子質(zhì)量為15，且保持不變
②在某密閉容器中同時投入四種物質(zhì)，2min時達(dá)到平衡，測得容器中有1mol H₂O（g）、1mol CO（g）、2.2molH₂（g）和一定量的C（s），如果此時對體系加壓，平衡向

 

（填“正”或“逆”）反應(yīng)方向移動，第5min時達(dá)到新的平衡，請在圖2中畫出2～5min內(nèi)容器中氣體平均相對分子質(zhì)量的變化曲線．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)熱的計算,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷,化學(xué)平衡的計算

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化,化學(xué)平衡專題

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來解答；
（2）①由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據(jù)此結(jié)合方程式判斷壓強(qiáng)對平衡移動的影響進(jìn)行解答；
②由圖1可知，壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時達(dá)到平衡X點，是甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，據(jù)此計算甲烷的濃度變化量，根據(jù)v=

△c

△t

計算v（CH₄），再利用速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（CO）；
利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計算該溫度下的平衡常數(shù)；
（3）①可逆反應(yīng)達(dá)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，據(jù)此解答．解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)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(dá)平衡狀態(tài)；
②根據(jù)增大壓強(qiáng)，平衡向著氣體體積減小的方向移動來分析．

解答： 解：（1）已知反應(yīng)①2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ?mol^-1
              ②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ?mol^-1
              ③CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將③-①-②可得：
CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=（-802kJ?mol^-1）-（-566kJ?mol^-1）-（-484kJ?mol^-1）=+248KJ/mol，
故答案為：+248；
（2）由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉(zhuǎn)化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強(qiáng)P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
由圖1可知，壓強(qiáng)為P₄、1100℃的條件下，該反應(yīng)5min時達(dá)到平衡X點，是甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%=0.08mol/L，故v（CH₄）=

0.08mol/L

5min

=0.016mol/（L?min），根據(jù)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，所以v（CO）=2v（CH₄）=2×0.16mol/（L?min）=0.032mol/（L?min），
               CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），
開始（mol/L）：0.1      0.1      0        0
變化（mol/L）：0.08     0.08     0.16     0.16 
平衡（mol/L）：0.02     0.02     0.16     0.16
故該溫度下平衡常數(shù)k=

0.162×0.162

0.02×0.02

=1.64
故答案為故答案為：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；0.032mol/（L?min）；1.64；
（3）①A、正反應(yīng)方向是個氣體體積增大的方向，故隨著反應(yīng)的進(jìn)行，平衡之前，體系壓強(qiáng)會增大，故一旦當(dāng)體系壓強(qiáng)不變，說明反應(yīng)達(dá)平衡，故A正確；
B、CO與H₂的化學(xué)計量數(shù)為1：1，反應(yīng)數(shù)值按物質(zhì)的量比為1：1進(jìn)行，不能說明到達(dá)平衡，故B錯誤；
C、混合氣體的密度ρ=

m

V

，容器恒容，即V不變，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，混合氣體的質(zhì)量m增大，故ρ增大，一旦當(dāng)ρ不變時，說明反應(yīng)達(dá)平衡，故C正確；
D、反應(yīng)混合物的總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)混合物的總的物質(zhì)的量增大，平均相對分子質(zhì)量減小，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不發(fā)生變化，說明到達(dá)平衡，但達(dá)平衡時，平均相對分子質(zhì)量不一定是15，故D錯誤；
故選AC；
②根據(jù)勒沙特列原理可知，增大壓強(qiáng)，平衡向著氣體體積減小的方向移動，此反應(yīng)的逆反應(yīng)方向是個氣體體積減小的方向，故增大壓強(qiáng)，向逆反應(yīng)方向移動；
在第2min時，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量即平均摩爾質(zhì)量

.

M

=

m總

n總

=

18g+28g+4.4g

4.2mol

=12g/mol．
設(shè)在第2～5min期間的任何時刻，有XmolH₂被消耗，則有：
                       C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）
          初始量（mol）              1            1          2.2
          轉(zhuǎn)變量（mol）                X            X          X
          剩余量（mol）             （1+X）         （1-X）      （2.2-X）
混合氣體的平均相對分子質(zhì)量即平均摩爾質(zhì)量

.

M

=

m總

n總

=

18(1+X)+28(1-X)+2(2.2-X)

(1+X)+(1-X)+(2.2-X)

=12，故可知在2～5min期間的任意時刻，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變，一直是12，故可得2～5min內(nèi)容器中氣體平均相對分子質(zhì)量的變化曲線為，
故答案為：．

點評：本題綜合考查了蓋斯定律的有關(guān)計算、平衡的移動以及化學(xué)平衡常數(shù)的計算等問題，綜合性較強(qiáng)，難度較大．