Question

利用焦炭或天然氣制取廉價的CO和H₂，再用于氨合成和有機合成是目前工業生產的重要途徑．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂ （g）=CO₂ （g）+2H₂O （l）△H=-890.3kJ?mol^-1     ①
H₂（g）+1/2O₂ （g）=H₂O （l）△H=-285.8kJ?mol^-1 ②
CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1 ③
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1 ④
反應CH₄（g）+H₂O（g）  CO（g）+3H₂（g），△H=    kJ?mol^-1．標準狀況下33.6L甲烷高溫下與水蒸氣完全反應生成CO和H₂，反應過程中轉移    mole^-，放出    kJ熱量．
（2）一定條件下，在體積為5L的密閉容器中，一氧化碳與氫氣反應生成甲醇（催化劑為Cu₂O/ZnO）：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．不同溫度時甲烷的物質的量隨時間變化曲線如圖所示．根據題意完成下列各題：
①反應達到平衡時，平衡常數表達式K=    ，降低溫度，K值    （填“增大”、“減小”或“不變”）．
②在300℃，從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=    ．（用相關符號和數據表示）
③判斷該可逆反應達到平衡狀態的標志是    ．（填字母）
a．CH₃OH的生成速率與CO的消耗速率相等   b．容器中氣體的壓強不變
c．容器中混合氣體的密度保持不變           d．CO百分含量保持不變
e．CO和CH₃OH濃度相等
④欲提高H₂的轉化率，下列措施可行的是    ．（填字母）
a．向容器中再充入Ar    b．改變反應的催化劑
c．向容器中再充入CO                      d．升高溫度．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據已知反應和目標反應，利用蓋斯定律來計算反應熱，利用化合價的變化計算轉移的電子數，利用物質的量與反應熱的數值關系計算放出的熱量；
（2）①平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，由圖可知，溫度高時甲醇的量少，則該反應為放熱反應，降低溫度，平衡正向移動；
②由圖可知，甲醇在0～t_A時間內增加n_Amol，計算甲醇的反應速率，再利用化學計量數之比等于反應速率之間計算氫氣的反應速率；
③根據平衡的特征“等”、“定”及由此衍生的一些量來判斷平衡；
④提高H₂的轉化率，化學平衡正向移動，但不能增加氫氣本身的量，以此來解答．
解答：解：（1）由CH₄（g）+2O₂ （g）=CO₂ （g）+2H₂O （l）△H=-890.3kJ?mol^-1 ①，
H₂（g）+1/2O₂ （g）=H₂O （l）△H=-285.8kJ?mol^-1 ②，
CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1 ③，
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ?mol^-1 ④，
根據蓋斯定律可知，①+④-③-②×3可得CH₄（g）+H₂O（g）  CO（g）+3H₂（g），
其反應熱△H=（-890.3kJ?mol^-1）+（-44kJ?mol^-1）-（-283.0kJ?mol^-1）-（-285.8kJ?mol^-1）×2=+206.1kJ/mol，
標準狀況下33.6L甲烷，其物質的量為1.5mol，所以該反應中轉移的電子數為1.5mol×（2+4）=9mol，
該反應放出的熱量為1.5mol×206.1kJ/mol=309.15kJ，
故答案為：+206.1；9；309.15；
（2）①由CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則平衡常數K=，由圖可知，溫度高時甲醇的量少，則該反應為放熱反應，降低溫度，平衡正向移動，所以K增大，
故答案為：；增大；
②由圖可知，甲醇在0～t_A時間內增加n_Amol，則甲醇的反應速率為n_A/5t_A mol?（L?min）^-1，再由化學計量數之比等于反應速率之比，所以氫氣的反應速率為2n_A/5t_A mol?（L?min）^-1，故答案為：2n_A/5t_A mol?（L?min）^-1；
③a．CH₃OH的生成速率與CO的消耗速率相等，只能確定正反應速率，不能確定正逆反應速率的關系，則不能判斷平衡，故a錯誤；
b．該反應為反應前后壓強不等的反應，則容器中氣體的壓強不變，達到平衡狀態，故b正確；
c．因質量、體積不變，則容器中混合氣體的密度始終保持不變，不能作為判斷平衡的方法，故c錯誤；           
d．CO百分含量保持不變，濃度不再變化，達到平衡狀態，故d正確；
e．CO和CH₃OH濃度相等，取決于起始量，不一定達到平衡，故e錯誤；
故答案為：bd；
④a．體積不變，向容器中再充入Ar，反應體系中各物質的濃度不變，平衡不移動，故a錯誤；    
b．改變反應的催化劑，不影響化學平衡移動，故b錯誤；
c．向容器中再充入CO，平衡正向移動，提高氫氣的轉化率，故c正確；                      
d．升高溫度提高，平衡逆向移動，H₂的轉化率減小，故d錯誤；
故答案為：c．
點評：本題為小綜合，考查蓋斯定律計算反應熱、化學反應速率、化學平衡等高考常考知識點，題目難度不大，并注意利用圖象來計算反應速率及影響平衡的因素．