Question

15．用甲烷和二氧化碳可以制備化工原料．
（1）一定溫度下，向容積恒定為2L的密閉容器中通人3molCO₂、3molCH₄，發(fā)生如下反應(yīng)：
CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO （g）+2H₂（g）
反應(yīng)在2min末達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
①2min內(nèi)，用H₂來(lái)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(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志的是BC；（填選項(xiàng)字母）
A．v正（CH₄）=2v 逆（H₂） 　　　　　　　　　　B．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變
C．反應(yīng)中斷裂2mol C一H鍵同時(shí)消耗lmolH₂　　　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(qiáng)、增大CO₂的濃度（寫(xiě)兩點(diǎn)）．
（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(guò)250℃時(shí)，溫度升高催化劑的催化效率降低，250～300℃之間催化劑為影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而溫度高于300℃后，溫度是影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率隨溫度升高而升高．
②250℃與400℃時(shí)乙酸的生成速率相近，請(qǐng)分析判斷實(shí)際生產(chǎn)選擇的最佳溫度是250℃．

Answer 1

分析 （1）一定溫度下，向容積恒定為2L的密閉容器中通人3molCO₂、3molCH₄，反應(yīng)在2min末達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等，則：
           CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO （g）+2H₂（g）
起始量（mol）：3       3         0         0
變化量（mol）：x       x         2x        2x
平衡量（mol）：3-x     3-x       2x        2x
則3-x=2x，解得x=1，
①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②根據(jù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
③可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
④④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
根據(jù)蓋斯定律，③-②×2-①×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）；
⑤為提高CH₄的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)改變條件使平衡正向移動(dòng)，結(jié)合平衡常移動(dòng)原理分析解答，不能只增大甲烷濃度，否則其轉(zhuǎn)化率會(huì)降低；
（2）①溫度超過(guò)250℃時(shí)，溫度升高催化劑的催化效率降低，250～300℃之間催化劑為影響反應(yīng)速率主要因素，溫度高于300℃后，溫度是影響反應(yīng)速率主要因素；
②從綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮，250℃時(shí)催化劑的催化效果最好，提高溫度耗費(fèi)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(dòng)．

解答 解：（1）一定溫度下，向容積恒定為2L的密閉容器中通人3molCO₂、3molCH₄，反應(yīng)在2min末達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)相等，則：
            CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO （g）+2H₂（g）
起始量（mol）：3       3           0         0
變化量（mol）：x       x           2x        2x
平衡量（mol）：3-x     3-x         2x        2x
則3-x=2x，解得x=1，
①v（H₂）=$\frac{\frac{2mol}{2L}}{2min}$=0.5mol/（L．min），故答案為：0.5mol/（L．min）；
②該溫度下，平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1，故答案為：1；
③③CO₂（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(jì)量數(shù)之比，2則v_正（CH₄）=v_正（H₂），當(dāng)2v_正（CH₄）=v_逆（H₂），反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，但v_正（CH₄）=2v_逆（H₂）不符合速率之比，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，恒溫恒容下壓強(qiáng)發(fā)生變化，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．反應(yīng)中斷裂4molC-H鍵同時(shí)消耗1mol H_2時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，反應(yīng)中斷裂2molC-H鍵同時(shí)消耗1mol H₂，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)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(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)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
根據(jù)蓋斯定律，③-②×2-①×2可得：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+248kJ/mol，
故答案為：+248kJ/mol；
⑤正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)吸熱反應(yīng)，減小反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度、升高溫度等，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：減小反應(yīng)壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度；
（2）①溫度超過(guò)250℃時(shí)，溫度升高催化劑的催化效率降低，250～300℃之間催化劑為影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而溫度高于300℃后，溫度是影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率隨溫度升高而升高，
故答案為：溫度超過(guò)250℃時(shí)，溫度升高催化劑的催化效率降低，250～300℃之間催化劑為影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而溫度高于300℃后，溫度是影響反應(yīng)速率主要因素，乙酸的生成速率隨溫度升高而升高；
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(jì)效益考慮，是因?yàn)?50℃時(shí)，催化劑的催化效果最好，提高溫度耗費(fèi)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(dòng)，
故答案為：250℃．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、平衡狀態(tài)判斷、反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、反應(yīng)熱計(jì)算等，綜合性強(qiáng)，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，難度中等．