Question

1．用甲烷和二氧化碳可以制备化工原料．
（1）一定温度下，向容积恒定为2L的密闭容器中通入3mol CO₂、3mol CH₄，发生如下反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反应在2min末达到平衡状态，此时测得CO₂和CO的体积分数相等，请回答下列问题：
①2min内，用H₂来表示的反应速率v（H₂）=0.5mol/L•min；
②此时温度下该反应的平衡常数K=1；
③下列叙述可以作为该反应达到平衡状态的标志的是BC（填选项字母）
A．v_正（CH₄）=2v_逆（H₂）
B．容器内压强保持恒定不变
C．反应中断裂2molC-H键同时消耗1mol H₂
D．容器内混合气体的密度保持恒定不变
④已知：

物质	H2	CO	CH4	CH3COOH
燃烧热（KJ/mol）	286	283	890	874

则反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248KJ/mol．
⑤为提高CH₄的转化率，可以采取的措施是减小反应压强、增大CO₂的浓度（写两点）．
（2）在催化作用下，甲烷和二氧化碳还可以直接转化成乙酸．
①在不同温度下乙酸的生成速率如图苏搜：在250-400℃范围内，乙酸的生成速率随温度变化的原因是温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低．
②在250℃与400℃时乙酸的生成速率相近，请分析判断实际生产选择的最佳温度是250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动．

Answer 1

分析 结合化学平衡三段式列式计算，一定温度下，向容积恒定为2L的密闭容器中通入3mol CO₂、3mol CH₄，发生如下反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反应在2min末达到平衡状态，此时测得CO₂和CO的体积分数相等，设反应达到平衡状态消耗二氧化碳浓度为x，
                CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol/L）  1.5      1.5       0       0
变化量（mol/L）   x        x        2x       2x
平衡量（mol/L）1.5-x     1.5-x      2x       2x
此时测得CO₂和 CO的体积分数相等，浓度相同，则1.5-x=2x
x=0.5mol/L
（1）①氢气反应速率V=$\frac{△c}{△t}$=
②平衡常数等于配合状态下生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积，结合化学平衡三段式列式计算平衡浓度；
③根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态．
④依据燃烧热概念书写三种气体的燃烧热的热化学方程式，依据盖斯定律计算得到所需热化学方程式得到反应焓变；
⑤根据外界条件对化学平衡的影响，平衡正向移动，反应物甲烷转化率增大；
（2）①根据温度对催化剂活性的影响；
②从综合经济效益考虑，是因为250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动．

解答 解：结合化学平衡三段式列式计算，一定温度下，向容积恒定为2L的密闭容器中通入3mol CO₂、3mol CH₄，发生如下反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反应在2min末达到平衡状态，此时测得CO₂和CO的体积分数相等，设反应达到平衡状态消耗二氧化碳浓度为x，
              CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始量（mol/L） 1.5     1.5       0       0
变化量（mol/L） x        x        2x       2x
平衡量（mol/L）1.5-x    1.5-x     2x       2x
此时测得CO₂和 CO的体积分数相等，浓度相同，则1.5-x=2x
x=0.5mol/L
（1）①2min内，用H₂来表示的反应速率v（H₂）=$\frac{2×0.5mol/L}{2min}$=0.5mol/L•min，
故答案为：0.5mol/L•min；
②平衡常数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，
故答案为：1；
③CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），反应是气体体积增大的反应，
A．速率之比等于化学方程式计量数之比，2v_正（CH₄）=v_正（H₂），当2v_正（CH₄）=v_逆（H₂），反应达到平衡状态，但v_正（CH₄）=2v_逆（H₂）不符合速率之比，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体物质的量变化，当容器内压强保持恒定不变，说明反应达到平衡状态，故B正确；
C．反应中断裂4molC-H键同时消耗2mol H₂ ，说明反应达到平衡状态，反应中断裂2molC-H键同时消耗1mol H₂，说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．反应前后气体质量和体积不变，容器内混合气体的密度始终保持恒定不变不能说明反应达到平衡状态，故D错误；
故选BC．
④氢气燃烧热的热化学方程式：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol          ①
CO燃烧热的热化学方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283KJ/mol              ②
CH₄燃烧热的热化学方程式为：CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l） ）△H=-890KJ/mol     ③
依据盖斯定律计算，③-②×2+①×2得到反应的热化学方程式为：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=248KJ/mol，
故答案为：248KJ/mol；
⑤反应是气体体积增大的反应，减小反应压强、增大CO₂的浓度，平衡正向移动，反应物甲烷的转化率增大，
故答案为：减小反应压强、增大CO₂的浓度；
（2）①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案：温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②工业生产中该反应的温度常选择250℃、不选择400℃，从综合经济效益考虑，是因为250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动，故答案为：250℃时，催化剂的催化效果最好，提高温度耗费较高的能量，并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动．

点评 本题考查热化学反应方程式计算、速率概念和化学化学平衡常数的相关计算、化学平衡移动原理应用，综合性很强，难度中等．