Question

20．CO和H₂可作為能源和化工原料，應用十分廣泛．制取CO和H₂的有關化學反應的能量變化如下圖所示．

（1）寫出CH₄（g）與H₂O（g）反應生成CO（g）和H₂（g）的熱化學方程式CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1．
（2）CO和H₂可以合成二甲醚，化學方程式為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H＜0．  如果上述反應方程式的平衡常數K值變大，則該反應AD（選填編號）．
A．一定向正反應方向移動       B．在平衡移動時正反應速率先增大后減小
C．一定向逆反應方向移動       D．在平衡移動時逆反應速率先減小后增大
（3）一定條件下，可以由CO₂（g）和H₂（g）合成CH₄（g），同時還生成H₂O（g）．
①向一容積為2L的恒容密閉容器中充人一定量的CO₂和H₂，在300℃時發生上述反應，10min達到平衡時部分物質的濃度如下圖1所示：

用CH₄表示達到平衡時的正反應速率0.08 mol•L^-1•min^-1，起始充H₂的物質的量為8mol，該溫度下的平衡常數等于25．
②圖2表示H₂在建立平衡過程中的速率時間圖，若現在20min時擴大容器體積，并在30min時又達到狀態，請在圖2中畫出H₂的逆反應方向速率時間圖象．

Answer 1

分析 （1）由圖1、圖2、圖3可得熱化學方程式：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•mol^-1，
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-282kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②-③×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）；
（2）正反應為放熱反應，平衡常數增大，應降低溫度，平衡正向移動；
（3）①平衡狀態c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
              CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L）：1.0    4.0      0        0
變化量（mol/L）：0.8   3.2     0.8       1.6
平衡量（mol/L）：0.2   0.8     0.8       1.6
根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），根據n=cV計算氫氣起始物質的量；代入K=$\frac{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{4}（{H}_{2}）}$計算平衡常數；
②若現在20min時擴大容器體積，瞬間氫氣濃度減小，反應速率減小，平衡逆向移動，逆反應速率減小的小到達到平衡狀態．

解答 解：（1）由圖1、圖2、圖3可得熱化學方程式：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•mol^-1，
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-282kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①-②-③×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1；
（2）反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H＜0，故若使平衡常數K值變大，則平衡右移，必須通過降低溫度才能實現．
A．平衡常數K值變大，平衡右移，故A正確；
B．平衡常數K值變大，平衡右移，須降低溫度，而降低溫度時正反應速率一直減小，故B錯誤；
C．平衡常數K值變大，平衡右移，故C錯誤；
D．平衡常數K值變大，平衡右移，須降低溫度，而降低溫度時逆反應速率開始減小，由于平衡右移，生成物的濃度后來增大，故逆反應速率后來增大，故D正確．
故選：AD；
（3）①平衡狀態c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
               CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L）：1.0    4.0       0        0
變化量（mol/L）：0.8    3.2       0.8      1.6
平衡量（mol/L）：0.2    0.8       0.8      1.6
用CH₄表示達到平衡時的正反應速率=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08 mol•L^-1•min^-1；
起始充H₂的物質的量=4.0mol/L×2L=8mol；
平衡常數K=$\frac{0.8×1．{6}^{2}}{0.2×0．{8}^{4}}$=25；
故答案為：0.08 mol•L^-1•min^-1； 8 mol； 25；
②若現在20min時擴大容器體積，瞬間氫氣濃度減小，反應速率減小，平衡逆向移動，逆反應速率減小的小到達到平衡狀態，氫氣的逆反應速率如右圖：，故答案為：．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、反應速率、化學平衡常數、熱化學方程式等，難度中等，注意平衡常數計算與應用，題目難度中等．