Question

【题目】研究CO2与CH4的反应使之转化为CO和H2，对减缓燃料危机，减少温室效应具有重要的意义。

（1）已知CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △H＝＋248kJ·mol－1、△S＝310J mol－1·K－1，该反应能自发进行的温度范围为____________________。

（2）在密闭恒容容器中通入物质的量浓度均为0.1 mol·L－1的CH4与CO2，在一定条件下发生反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示。

①工业生产时一般会选用P4和1250℃进行合成，请解释其原因_________________________。

②在压强为P4、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡点X，则用CO表示该反应的速率为_____，该温度下，反应的平衡常数为_____________________（保留3位有效数字）。

（3）CO和H2在工业上还可以通过反应C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2 (g)来制取

①在恒温恒容下，如果从反应物出发建立平衡，可认定已达平衡状态的是____________________。

A．体系压强不再变化 B．H2、CO和H2O的物质的量之比为1:1:1

C．混合气体的密度保持不变 D．气体平均相对分子质量保持不变

②在某体积可变的密闭容器中同时投入四种物质，2min时达到平衡，测得容器中有1mol H2O(g)、1mol CO(g)、2.2molH2(g)和足量的C(s)，如果此时对体系加压，平衡向___________(填“正”或“逆”)反应方向移动，达到新的平衡后，气体的平均摩尔质量为_____________________。

Answer 1

【答案】 大于800K 较大的压强和温度能加快合成速率，提高生产效率 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，反应能自发进行，则△G=△H-T△S=(＋248kJ·mol－1)-T×(310J mol－1·K－1)＜0，解得T＞800K，故答案为：大于800K；

(2)①由图可知，升高温度，甲烷的转化率增大；该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应进行，甲烷的转化率降低，但较大的压强能加快合成速率，提高生产效率，故答案为：较大的压强和温度能加快合成速率，提高生产效率；

②由图1可知，压强为P4、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡X点，是甲烷的转化率为80%，甲烷的浓度变化量为0.1mol/L×80%=0.08mol/L，故v(CH4)==0.016mol/(Lmin)，根据速率之比等于化学计量数之比，所以v(CO)=2v(CH4)=2×0.16mol/(Lmin)=0.032mol/(Lmin)，

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)，

开始(mol/L)：0.1 0.1 0 0

变化(mol/L)：0.08 0.08 0.16 0.16

平衡(mol/L)：0.02 0.02 0.16 0.16

故该温度下平衡常数K==1.64，故答案为：0.032mol/(Lmin)；1.64；

(3)①A、正反应方向是个气体体积增大的方向，故随着反应的进行，平衡之前，体系压强会增大，故一旦当体系压强不变，说明反应达平衡，故A正确；B、H2、CO和H2O的化学计量数为1：1：1，物质的量之比为1:1:1，与起始时的水蒸气的物质的量有关，与平衡状态无关，不能说明到达平衡，故B错误；C、混合气体的密度ρ=，容器恒容，即V不变，随着反应的进行，混合气体的质量m增大，故ρ增大，一旦当ρ不变时，说明反应达平衡，故C正确；D、反应混合物的总质量不变，随反应进行，反应混合物的总的物质的量增大，平均相对分子质量减小，混合气体的平均相对分子质量不发生变化，说明到达平衡，故D正确；故选ACD；

②根据勒沙特列原理可知，增大压强，平衡向着气体体积减小的方向移动，此反应的逆反应方向是个气体体积减小的方向，故增大压强，向逆反应方向移动；在第2min时，混合气体的平均相对分子质量即平均摩尔质量===12g/mol，故答案为：逆；12 g/mol。