Question

2．（1）CO₂和CH₄是两种重要的温室气体，通过CH₄和CO₂的反应，制造更高价值的化学品是目前的研究目标．250℃时，以镍合金为催化剂，发生如下反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
①此温度下该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（CO）^{2}×c（{H}_{2}）^{2}}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$．
②已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
       CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=+2.8kJ•mol^-1
       2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的△H=+247.3kJ•mol^-1kJ•mol^-1；
（2）能源短缺是人类社会面临的重大问题．甲醇是一种可再生能源，具有广泛的开发和应用前景．工业上合成甲醇的反应原理为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H，
下表所列数据是该反应在不同温度下的化学平衡常数（K）．

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①根据表中数据可判断△H＜0　（填“＞”、“=”或“＜”）．
②300℃时，将2molCO、3molH₂和2molCH₃OH充入容积为1L的密闭容器中，此时反应将A．
A．向正方向移动　　　B．向逆方向移动　　　C．处于平衡状态　　　D．无法判断
③下列能说明上述反应达到化学平衡状态的标志是C
A．恒温恒容下，混合气体的密度不在变化
B．达平衡时，v（CO）：v（H₂）：v（CH₃OH）=1：2：1
C．达平衡时，CH₃OH浓度不再变化
D．单位时间内生产nmolCO同时生成2nmolH₂．

Answer 1

分析 （1）①根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积回答；
②已知CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=2.8kJ•mol^-1 ②
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△，据此计算；
（2）①依据表中数据分析，随温度升高，平衡常数减小，说明平衡逆向进行；
②计算浓度商和平衡常数比较分析判断反应进行方向；
③化学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断．

解答 解：（1）①平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，则CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常数表达式为K=$\frac{c（CO）^{2}×c（{H}_{2}）^{2}}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$；
故答案为：$\frac{c（CO）^{2}×c（{H}_{2}）^{2}}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$；
②已知CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=2.8kJ•mol^-1 ②
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案为：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①依据表中数据分析，随温度升高，平衡常数减小，说明平衡逆向进行正反应为放热反应，△H＜0；
故答案为：＜；
②在300℃时，将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为1L的密闭容器中，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），浓度商Q=$\frac{2}{2×{3}^{2}}$=$\frac{1}{9}$＜K=0.270，反应正向进行；
故答案为：A；
③A．容器体积不变，气体质量不变，密度始终不变，所以密度不变不能作为反应达到平衡状态的标志，故A错误；
B．无论是否平衡，均存在v（CO）：v（H₂）：v（CH₃OH）=1：2：1，无法判断正逆反应速率是否相等，故B错误；
C．达到平衡时，各反应物的浓度保持不变，所以达平衡时，CH₃OH浓度不再变化，故C正确；
D．单位时间内生产nmolCO同时生成2nmolH₂，均为逆反应速率，不能判断正逆反应速率是否相等，所以不能说明反应达到平衡状态，故D错误；
故答案为：C．

点评 本题主要考查了化学反应平衡常数表达式、反应的热效应、化学反应进行的方向、化学平衡状态的判断等，根据浓度商和平衡常数的大小来判断反应的进行方向是关键，题目难度中等．