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，發生如下反應：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
反應在2min末達到平衡狀態，此時測得CO₂和CO的體積分數相等．清回答下列問題：
①2min內，用H₂來表示的反應速率v（H₂）=0.5mol/（L•min）；
②此溫度下該反應的平衡常數K=1；
③下列敘述可以作為該反應達到平衡狀態的標志的是BC；（填選項字母）
A．v_正（CH₄）=v_逆（H₂）
B．容器內壓強保持恒定不變
C．反應中斷裂2mol C-H鍵同時消耗1mol H₂
D．容器內混合氣體的密度保持恒定不變
④已知：

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

則反應CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248kJ/mol．
⑤為提高CH₄的轉化率，可以采取的措施是減小反應壓強、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，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選擇的最佳溫度是250℃．

Answer 1

分析 結合化學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，發生如下反應：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應在2min末達到平衡狀態，此時測得CO₂和CO的體積分數相等，設反應達到平衡狀態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的體積分數相等，濃度相同，則1.5-x=2x
x=0.5mol/L
（1）①氫氣反應速率V=$\frac{△c}{△t}$；
②平衡常數等于配合狀態下生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積，結合化學平衡三段式列式計算平衡濃度；
③根據化學平衡狀態的特征解答，當反應達到平衡狀態時，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生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態．
④依據燃燒熱概念書寫三種氣體的燃燒熱的熱化學方程式，依據蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式得到反應焓變；
⑤根據外界條件對化學平衡的影響，平衡正向移動，反應物甲烷轉化率增大；
（2）①根據溫度對催化劑活性的影響；
②從綜合經濟效益考慮，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方向移動．

解答 解：結合化學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，發生如下反應：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反應在2min末達到平衡狀態，此時測得CO₂和CO的體積分數相等，設反應達到平衡狀態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的體積分數相等，濃度相同，則1.5-x=2x，解得x=0.5mol/L
（1）①2min內，用H₂來表示的反應速率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），反應是氣體體積增大的反應，
A．速率之比等于化學方程式計量數之比，2v_正（CH₄）=v_正（H₂），當2v_正（CH₄）=v_逆（H₂），反應達到平衡狀態，但v_正（CH₄）=2v_逆（H₂）不符合速率之比，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤；
B．反應前后氣體物質的量變化，當容器內壓強保持恒定不變，說明反應達到平衡狀態，故B正確；
C．反應中斷裂4molC-H鍵同時消耗2mol H₂ ，說明反應達到平衡狀態，反應中斷裂2molC-H鍵同時消耗1mol H₂，說明反應達到平衡狀態，故C正確；
D．反應前后氣體質量和體積不變，容器內混合氣體的密度始終保持恒定不變不能說明反應達到平衡狀態，故D錯誤；故選BC．
④氫氣燃燒熱的熱化學方程式：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286kJ/mol ①
CO燃燒熱的熱化學方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283kJ/mol ②
CH₄燃燒熱的熱化學方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol ③
依據蓋斯定律計算，③-②×2+①×2得到反應的熱化學方程式為：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248kJ/mol，故答案為：248kJ/mol；
⑤反應是氣體體積增大的反應，減小反應壓強、增大CO₂的濃度，平衡正向移動，反應物甲烷的轉化率增大，
故答案為：減小反應壓強、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工業生產中該反應的溫度常選擇250℃、不選擇400℃，從綜合經濟效益考慮，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方向移動，故答案為：250℃．

點評 本題考查熱化學反應方程式計算、速率概念和化學化學平衡常數的相關計算、化學平衡移動原理應用，綜合性很強，難度中等．