Question

【題目】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CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H＝＋248kJ·mol－1、△S＝310J mol－1·K－1，該反應能自發進行的溫度范圍為____________________。

（2）在密閉恒容容器中通入物質的量濃度均為0.1 mol·L－1的CH4與CO2，在一定條件下發生反應CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，測得CH4的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如下圖所示。

①工業生產時一般會選用P4和1250℃進行合成，請解釋其原因_________________________。

②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，反應的平衡常數為_____________________（保留3位有效數字）。

（3）CO和H2在工業上還可以通過反應C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2 (g)來制取

①在恒溫恒容下，如果從反應物出發建立平衡，可認定已達平衡狀態的是____________________。

A．體系壓強不再變化 B．H2、CO和H2O的物質的量之比為1:1:1

C．混合氣體的密度保持不變 D．氣體平均相對分子質量保持不變

②在某體積可變的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)和足量的C(s)，如果此時對體系加壓，平衡向___________(填“正”或“逆”)反應方向移動，達到新的平衡后，氣體的平均摩爾質量為_____________________。

Answer 1

【答案】 大于800K 較大的壓強和溫度能加快合成速率，提高生產效率 0.032mol·L－1·min－1 1.64 ACD 逆 12 g/mol

【解析】(1)CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H＝＋248kJ·mol－1、△S＝310J mol－1·K－1，△G=△H-T△S＜0，反應能自發進行，則△G=△H-T△S=(＋248kJ·mol－1)-T×(310J mol－1·K－1)＜0，解得T＞800K，故答案為：大于800K；

(2)①由圖可知，升高溫度，甲烷的轉化率增大；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，但較大的壓強能加快合成速率，提高生產效率，故答案為：較大的壓強和溫度能加快合成速率，提高生產效率；

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%，甲烷的濃度變化量為0.1mol/L×80%=0.08mol/L，故v(CH4)==0.016mol/(Lmin)，根據速率之比等于化學計量數之比，所以v(CO)=2v(CH4)=2×0.16mol/(Lmin)=0.032mol/(Lmin)，

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K==1.64，故答案為：0.032mol/(Lmin)；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、H2、CO和H2O的化學計量數為1：1：1，物質的量之比為1:1:1，與起始時的水蒸氣的物質的量有關，與平衡狀態無關，不能說明到達平衡，故B錯誤；C、混合氣體的密度ρ=，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生變化，說明到達平衡，故D正確；故選ACD；

②根據勒沙特列原理可知，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===12g/mol，故答案為：逆；12 g/mol。