Question

11．開發新能源是解決環境污染的重要舉措，工業常用CH₄與CO₂反應制備H₂和CO，再H₂和CO利用合成甲醇．
（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1274.0KJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44KJ/mol
則甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態水的熱化學方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ?mol^-1．
（2）在恒容密閉容器中通入CH₄與CO₂，使其物質的量濃度為1.0mol/L，在一定條件下發生反應：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），測得CH₄的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如圖所示：

則：①該反應的△H＞0（填“＜、=或＞”）；
②壓強P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的關系為p₄＞p₃＞p₂＞p₁．壓強為P₄時，在b點：v（正）＞v（逆）．（填“＜、=或＞”）
③對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強p（B）代替物質的量濃度c（B）也可表示平衡常數（記作K_p），則該反應的平衡常數的表達式K_p=$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$；如果P₄=0.36MPa，求a點的平衡常數K_p=1.64（MPa）²；（保留3位有效數字，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）
④為探究速率與濃度的關系，該實驗中，根據相關實驗數據，粗略繪制出了2條速率-濃度 關系曲線：v_正～c（CH₄）和v_逆～c（CO）．

則：ⅰ）與曲線v_正～c（CH₄）相對應的是上圖中曲線乙（填“甲”或“乙”）．
ⅱ）當降低到某一溫度時，反應重新達到平衡，相應的平衡點分別為BF（填字母）．

Answer 1

分析 （1）根據熱化學方程式利用蓋斯定律計算反應熱并書寫熱化學方程式；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高甲烷的轉化率越大，升高溫度平衡向正反應進行，據此判斷；
②由圖可知，溫度一定時，甲烷的轉化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），據此結合方程式判斷壓強對平衡移動的影響進行解答，由圖可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，到達平衡X點時甲烷的轉化率為80%，Y點甲烷的轉化率小于80%，反應向正反應進行；
③對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強p（B）代替物質的量濃度c（B）也可表示平衡常數（記作K_p），平衡常數等于生成物平衡分壓冪次方乘積除以反應物平衡分壓冪次方乘積得到，結合化學平衡三段式列式計算，設體積為1L，a點甲烷轉化率為80%，
                       CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
起始量（mol） 1                1                0              0
變化量（mol）0.8            0.8            1.6              1.6
平衡量（mol）0.2             0.2            1.6              1.6
④ⅰ）甲烷是反應物隨反應進行濃度減小，CO是生成物，濃度從0到0.8；
ii）反應是吸熱反應，降溫平衡逆向進行，CO逆反應速率減小，正反應速率減小，甲烷濃度增大，一氧化碳濃度減小．

解答 解：（1）根據蓋斯定律，將已知反應[①-②-③×4]÷2得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以該反應的△H=[（-1274.0kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）-（-44.0kJ/mol）×4]÷2=442kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ•mol^-1；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高甲烷的轉化率越大，升高溫度平衡向正反應進行，故正反應為吸熱反應，即△H＞0，
故答案為：＞；
 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，由圖可知，壓強為P₄、1100℃的條件下，到達平衡X點時甲烷的轉化率為80%，Y點甲烷的轉化率小于80%，反應向正反應進行，故在Y點：v（正）＞v（逆），
故答案為：p₄＞p₃＞p₂＞p₁；＞；
③對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強p（B）代替物質的量濃度c（B）也可表示平衡常數（記作K_p），則該反應的平衡常數的表達式K_p=$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$，
結合化學平衡三段式列式計算，設體積為1L，a點甲烷轉化率為80%，
                 CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
起始量（mol） 1                1                0              0
變化量（mol）0.8            0.8            1.6              1.6
平衡量（mol）0.2             0.2            1.6              1.6
平衡氣體總物質的量=3.6mol，如果P₄=0.36MPa，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數，求a點的平衡常數K_p=$\frac{（0.36×\frac{1.6}{3.6}）^{2}×（0.36×\frac{1.6}{3.6}）^{2}}{0.36×\frac{1.6}{3.6}×0.36×\frac{1.6}{3.6}}$=1.64（MPa）²，
故答案為：$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$；1.64（MPa）²；
④i）甲烷是反應物隨反應進行濃度減小，CO是生成物，濃度從0到0.8，所以與曲線v_正～c（CH₄）相對應的是上圖中曲線是乙，
故答案為：乙； 
ii）反應是吸熱反應，降溫平衡逆向進行，CO逆反應速率減小，正反應速率減小，甲烷濃度增大，一氧化碳濃度減小，反應重新達到平衡，相應的平衡點分別為BF，
故答案為：B F．

點評 本題考查化學平衡圖象、影響化學平衡的因素、化學平衡常數等，難度中等，注意利用“定一議二”原則分析解答．