题目内容

15．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的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4，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2mol C一H键同时消耗lmolH2　　　D．容器内混合气体的密度保持恒定不变
④已知：
物质H2COCH4CH3COOH
燃烧热（kJ/mol）286283890874
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所示：

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，温度升高催化剂的催化效率降低，250～300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而温度高于300℃后，温度是影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率随温度升高而升高．
②250℃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℃．

分析 （1）一定温度下，向容积恒定为2L的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4，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，则：
           CO2（g）+CH4 （g）?2CO （g）+2H2（g）
起始量（mol）：3       3         0         0
变化量（mol）：x       x         2x        2x
平衡量（mol）：3-x     3-x       2x        2x
则3-x=2x，解得x=1，
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H2）；
②根据K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$计算平衡常数；
③可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等且保持不变，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不再变化说明到达平衡；
④④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
根据盖斯定律，③-②×2-①×2可得：CO2（g）+CH4（g）?2CO（g）+2H2（g）；
⑤为提高CH4的转化率，应改变条件使平衡正向移动，结合平衡常移动原理分析解答，不能只增大甲烷浓度，否则其转化率会降低；
（2）①温度超过250℃时，温度升高催化剂的催化效率降低，250～300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素，温度高于300℃后，温度是影响反应速率主要因素；
②从综合经济效益考虑，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：（1）一定温度下，向容积恒定为2L的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4，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，则：
            CO2（g）+CH4 （g）?2CO （g）+2H2（g）
起始量（mol）：3       3           0         0
变化量（mol）：x       x           2x        2x
平衡量（mol）：3-x     3-x         2x        2x
则3-x=2x，解得x=1，
①v（H2）=$\frac{\frac{2mol}{2L}}{2min}$=0.5mol/（L．min），故答案为：0.5mol/（L．min）；
②该温度下，平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1，故答案为：1；
③③CO2（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，2则v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，恒温恒容下压强发生变化，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1mol H2时反应达到平衡状态，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
根据盖斯定律，③-②×2-①×2可得：CO2（g）+CH4（g）?2CO（g）+2H2（g）△H=+248kJ/mol，
故答案为：+248kJ/mol；
⑤正反应是气体体积增大的反应吸热反应，减小反应压强、增大CO2的浓度、升高温度等，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，温度升高催化剂的催化效率降低，250～300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而温度高于300℃后，温度是影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率随温度升高而升高，
故答案为：温度超过250℃时，温度升高催化剂的催化效率降低，250～300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率降低，而温度高于300℃后，温度是影响反应速率主要因素，乙酸的生成速率随温度升高而升高；
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℃．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、平衡状态判断、反应速率、平衡常数、反应热计算等，综合性强，是对学生综合能力的考查，难度中等．

练习册系列答案
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9．下列离子组一定能大量共存的是（　　）
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③能促进水电离的是②⑤⑥；
④能抑制水电离的是①③④．
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D．常温下，向硝酸钾溶液中滴加稀盐酸得到的pH=5的混合溶液：c（K+）＞c（NO3-）

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