Question

8．利用光能和光催化剂，可将 CO₂ 和 H₂O（g）转化为 CH₄ 和 O₂．紫外光照射时，在不同催化剂（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄产量随光照时间的变化如图所示．
（1）在0～30 小时内，CH₄的平均生成速率 v_Ⅰ、v_Ⅱ和v_Ⅲ从大到小的顺序为V_Ⅲ＞V_Ⅱ＞V_Ⅰ；反应开始后的 12 小时内，在第Ⅱ种催化剂作用下，收集的 CH₄最多．
（2）将所得 CH₄ 与 H₂O（g）通入聚焦太阳能反应器，发生反应：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．该反应△H=+206kJ•mol^-1．
①画出反应过程中体系能量变化图（进行必要标注）．
②将等物质的量的CH₄ 和 H₂O（g）充入 1L 恒容密闭反应器中，某温度下反应达到平衡，平衡常数 K=27，此时测得 CO 的物质的量为 0.10mol，求CH₄的平衡转化率（计算结果保留两位有效数字）

Answer 1

分析 （1）相同时间甲烷的物质的量的变化量越大，表明平均速率越大，相同时间甲烷的物质的量的变化量越小，平均反应速率越小．由图2可知反应开始后的12小时内，在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），该反应的△H=+206kJ•mol^-1，反应是吸热反应，反应物能量低于生成物能量；依据能量变化画出图象；
②依据合成平衡三段式列式计算得到转化率．

解答 解：（1）由图2可知，在0～30h内，甲烷的物质的量变化量为△n（Ⅰ）＜△n（Ⅱ）＜△n（Ⅲ），故在0～30h内，CH₄的平均生成速率v（Ⅲ）＞v（Ⅱ）＞v（Ⅰ）；
由图2可知反应开始后的12小时内，在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多；
故答案为：V_Ⅲ＞V_Ⅱ＞V_Ⅰ；Ⅱ；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），该反应的△H=+206kJ•mol^-1，反应是吸热反应，反应过程中体系的能量变化图为：．
答：反应过程中体系能量变化图为；
②将等物质的量的CH₄和H₂O（g）充入1L恒容密闭容器，某温度下反应达到平衡，平衡常数K=27，此时测得CO的物质的量为0.10mol，根据平衡的三步计算可求CH₄的平衡转化率：
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）   x        x         0      0
变化量（mol）   0.10     0.10     0.10   0.30
平衡量（mol）  x-0.10  x-0.10     0.10   0.30
K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.10×0.3{0}^{3}}{（x-0.10）^{2}}$=27
计算得到x=0.11mol
甲烷的转化率=$\frac{0.10}{0.11}$×100%=91%
答：CH₄的平衡转化率为91%．

点评 本题综合考查化学平衡的计算，为高频考点，侧重考查学生的分析能力和计算鞥里，题目涉及图象分析和画图象的方法，平衡计算应用，热化学方程式的书写原则和盖斯定律的计算应用，题目难度中等．