Question

13．能源、环境与生产生活和社会发展密切相关．
（1）一定温度下，在两个容积均为2L的密闭容器中，分别发生反应：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1．相关数据如下：

容  器	甲	乙
反应物投入量	1molCO 2（g）和3molH2（g）	1molCH3OH（g）和1molH2O（g）
平衡时c（CH3OH）	c1	c2
平衡时能量变化	放出29.4kJ	吸收akJ

①c_l= c₂（填“＞”、“＜”或“=”），a=19.6；
②该温度下反应的平衡常数K=$\frac{25}{12}$L²•mol^-2；若甲中反应10s时达到平衡，则0～10s内甲中的平均反应速率v（H₂）=0.09mol•L^-1•s^-1．
③其他条件不变，达到平衡后，下列不能提高H₂转化率的操作是a bd（填字母编号）．
a．降低温度      b．充入更多的H₂      c．移除甲醇      d．增大容器体积
（2）在密闭容器中，通入2.5mol的CH₄与2.5mol CO₂，一定条件下发生反应：CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），测得CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图．据图可知，p₁、p₂、p₃、p₄由大到小的顺序P₄＞P₃＞P₂＞P₁．
（3）用CH₄催化还原NO_x可以消除氮氧化物的污染．例如：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
若用标准状况下4.48L CH₄还原NO₂至N₂，整个过程中转移的电子总数为1.60N_A，阿伏伽德罗常数用N_A表示），放出的热量为173.4kJ．

Answer 1

分析 （1）①应用恒温恒容条件下的等效平衡知识来解决；甲、乙是等效平衡，则甲中放出的热量与乙中吸收的热量之和为49.0kJ；
②平衡时能量变化放出29.4kJ，求平衡时各组分的浓度，然后求平均反应速率和平衡常数；
③根据外界条件对反应速率的影响分析判断；
（2）由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），据此结合方程式判断压强对平衡移动的影响进行解答；
（3）已知①CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1，②CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1 160kJ•mol^-1，利用盖斯定律将$\frac{①+②}{2}$可得CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-$\frac{574+1160}{2}$kJ•mol^-1=867kJ•mol^-1，以此解答该题．

解答 解：（1）①应用恒温恒容条件下的乙的投料量极端转化为甲相当于投1mol CO₂（g）和3mol H₂（g），所以两者是等效平衡，所以c₁=c₂，甲、乙是等效平衡，则甲中放出的热量与乙中吸收的热量之和为49.0kJ，则a=49.0kJ-29.4kJ=19.6kJ，
故答案为：=；19.6；
②平衡时放出29.4kJ，则转化率为$\frac{29.4kJ}{49.0kJ}$×100%=60%
        CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始：1mol      3mol             0                 0
转化：0.6mol   1.8mol           0.6mol       0.6mol
平衡：0.4mol   1.2mol           0.6mol        0.6mol
所以：达到平衡时，c（CO₂）=0.2mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，c（CH₃OH）=0.3mol/L，c（H₂O）=0.3mol/L，
在该条件下，反应的平衡常数K的值=$\frac{0.3×0.3}{0.2×0．{6}^{3}}$=$\frac{25}{12}$；
平衡时能量变化放出29.4kJ，所以反应二氧化碳的物质的量为$\frac{29.4kJ}{49.0kJ}$=0.6mol，所以，然后求平均反应速率v=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10s}$=0.03mol/（L•min），v（H₂）=3×0.03mol/（L•min）=0.09mol/（L•min），
故答案为：$\frac{25}{12}$；0.09；
③a．降低温度，二氧化碳反应速率减小，平衡逆向移动，氢气的转化率降低；
b．充入更多的H₂，二氧化碳反应速率增大，平衡正向移动，氢气的转化率降低；
c．移去甲醇，二氧化碳反应速率减小，平衡正向移动，氢气的转化率增大；
d．增大容器体积，压强减小，二氧化碳反应速率减小，平衡逆向移动，氢气的转化率降低；
故提高CO₂的反应速率，可以采取的反应条件是B；能提高H₂转化率的操作是C；
故答案为：abd；
（2）由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），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，故压强P₄＞P₃＞P₂＞P₁
故答案为：P₄＞P₃＞P₂＞P₁；
（3）由（1）得CH₄（g）+2NO₂（g）═N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g），△H=-$\frac{574+1160}{2}$kJ•mol^-1=867kJ•mol^-1，n（CH₄）=0.2mol，整个过程中转移的电子总数为0.2mol×8N_A=1.6N_A=9.6×10²³，放出的热量为0.2×867=173.4kJ，
故答案为：9.6×10²³或1.60N_A；173.4．

点评 本题考查化学平衡图象、影响化学平衡的因素、化学平衡常数等，注意利用“定一议二”原则分析解答．侧重于学生的计算能力和分析能力的考查，注意盖斯定律的应用，难度中等．