Question

研究CO₂與CH₄的反應使之轉化為CO和H₂，對減緩燃料危機，減少溫室效應具有重要的意義．
（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CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖1所示．據(jù)圖可知，P₁、P₂、P₃、P₄ 由大到小的順序

 

．在壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡點X，則用CO表示該反應的速率為

 

．該溫度下，反應的平衡常數(shù)為

 

．

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

 

．
A．體系壓強不再變化                B．H₂與CO的物質的量之比為1：1
C．混合氣體的密度保持不變           D．氣體平均相對分子質量為15，且保持不變
②在某密閉容器中同時投入四種物質，2min時達到平衡，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”）反應方向移動，第5min時達到新的平衡，請在圖2中畫出2～5min內容器中氣體平均相對分子質量的變化曲線．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學平衡的影響因素,化學平衡狀態(tài)的判斷,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來解答；
（2）①由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據(jù)此結合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答；
②由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，是甲烷的轉化率為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)表達式計算該溫度下的平衡常數(shù)；
（3）①可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、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，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
②根據(jù)增大壓強，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，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），該反應正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應進行，甲烷的轉化率降低，故壓強P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
由圖1可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，該反應5min時達到平衡X點，是甲烷的轉化率為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、正反應方向是個氣體體積增大的方向，故隨著反應的進行，平衡之前，體系壓強會增大，故一旦當體系壓強不變，說明反應達平衡，故A正確；
B、CO與H₂的化學計量數(shù)為1：1，反應數(shù)值按物質的量比為1：1進行，不能說明到達平衡，故B錯誤；
C、混合氣體的密度ρ=

m

V

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

.

M

=

m總

n總

=

18g+28g+4.4g

4.2mol

=12g/mol．
設在第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量即平均摩爾質量

.

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量不變，一直是12，故可得2～5min內容器中氣體平均相對分子質量的變化曲線為，
故答案為：．

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