Question

4．某合成氣的主要成分是一氧化碳和氫氣，可用于合成甲醚等清潔燃料．由天然氣獲得該合成氣過程中可能發(fā)生的反應(yīng)有：
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.1kJ•mol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₂=+247.3kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
請(qǐng)回答下列問題：
（1）在一密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)①，測得CH₄的物質(zhì)的量濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖1所示．

反應(yīng)進(jìn)行的前5min內(nèi)，v（H₂）=0.3mol/（L•min）；10min時(shí)，改變的外界條件可能是升高溫度．反應(yīng)①平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）如圖2所示，在甲、乙兩容器中分別充入等物質(zhì)的量的CH₄和CO₂，使甲、乙兩容器初始容積相等．在相同溫度下發(fā)生反應(yīng)②，并維持反應(yīng)過程中溫度不變．已知甲容器中CH₄的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化如圖3所示，請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出乙容器中CH₄的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的圖象．
（3）反應(yīng)③中△H₃=-41.2kJ/mol．800℃時(shí)，反應(yīng)③的平衡常數(shù)K=1，測得該溫度下密閉容器中某時(shí)刻各物質(zhì)的物質(zhì)的量見表：

CO	H2O	CO2	H2
0.5mol	8.5mol	2.0mol	2.0mol

此時(shí)反應(yīng)③中正、逆反應(yīng)速率的關(guān)系式是a（填代號(hào)）．
a．v_正＞v_逆  b．v_正＜v_逆 c．v_正=v_逆  d．無法判斷．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖可知，前5min內(nèi)甲烷的濃度由1.00mol/L減小為0.50mol/L，以此計(jì)算v（H₂），由圖可知，10min時(shí)甲烷的濃度繼續(xù)減小，該反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)是各生成物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積與各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積的比值；
（2）甲、乙兩容器中分別充入等物質(zhì)的量的CH₄和CO₂，且甲、乙兩容器初始容積相等，由圖可知，甲的體積不變，乙的壓強(qiáng)不變，則假定甲不變，乙中發(fā)生CH₄+CO₂?2CO+2H₂，其體積增大，則相當(dāng)于壓強(qiáng)減小，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，乙容器中CH₄的轉(zhuǎn)化率增大，但壓強(qiáng)小，反應(yīng)速率減慢，則達(dá)到平衡的時(shí)間變長；
（3）根據(jù)蓋斯定律可知，①-②可得反應(yīng)③，再利用Q與K的關(guān)系判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，從而確定正逆反應(yīng)速率的關(guān)系．

解答 解：（1）根據(jù)圖可知，前5min內(nèi)甲烷的濃度由1.00mol/L減小為0.50mol/L，則v（CH₄）=$\frac{1.00mol/L-0.50mol/L}{5min}$=0.1mol/（L•min），由化學(xué)計(jì)量數(shù)之比等于反應(yīng)速率之比，則v（H₂）=3×0.1mol/（L•min）=0.3mol/（L•min），
由圖可知，10min時(shí)甲烷的濃度繼續(xù)減小，該反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，而該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則升高溫度符合題意，
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），K=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案為：0.3 mol/（L•min）；升高溫度；$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）甲、乙兩容器中分別充入等物質(zhì)的量的CH₄和CO₂，且甲、乙兩容器初始容積相等，由圖可知，甲的體積不變，乙的壓強(qiáng)不變，則假定甲不變，乙中發(fā)生CH₄+CO₂?2CO+2H₂，其體積增大，則相當(dāng)于壓強(qiáng)減小，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，乙容器中CH₄的轉(zhuǎn)化率增大，但壓強(qiáng)小，反應(yīng)速率減慢，則達(dá)到平衡的時(shí)間變長，則乙中CH₄的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的圖象為
，
故答案為：；
（3）根據(jù)蓋斯定律可知，①-②可得反應(yīng)③，則△H₃=+206.1kJ/mol-（+247.3kJ/mol）=-41.2kJ/mol，
800℃時(shí)，反應(yīng)③的K=1.0時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，化學(xué)平衡不移動(dòng)；
由表格中的數(shù)據(jù)可知，氣體的體積相同，則物質(zhì)的量與濃度成正比，Q=$\frac{2.0×2.0}{0.5×8.5}$＜K=1.0，該反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，即選a，
故答案為：-41.2 kJ/mol；a．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算，化學(xué)平衡的移動(dòng)及反應(yīng)方向的判斷，難度中等，（2）是學(xué)生解答中的難點(diǎn)，注意利用思維轉(zhuǎn)化的方法來解答．