Question

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________；反应开始后的 12 小时内，在第________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ΔH＝＋206 kJ·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 1 L 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 0.10 mol，求CH₄的平衡转化率(计算结果保留两位有效数字)。
(3)已知：CH₄(g)＋2O₂(g)=CO₂(g)＋2H₂O(g)ΔH＝－802 kJ·mol^－1。
写出由 CO₂生成 CO 的热化学方程式____________________________________

Answer 1

(1)v_Ⅲ>v_Ⅱ>v_Ⅰ　Ⅱ
(2)①

②91%
(3)CO₂(g)＋3H₂O(g)=CO(g)＋3H₂(g)＋2O₂(g)
ΔH＝＋1008 kJ· mol^－1

本题考查化学反应速率和化学平衡，意在考查考生的识图能力、三段式解决化学平衡问题能力和盖斯定律的使用。(1)0～30小时内，CH₄的平均速率＝，由图可知，30小时内CH₄的产量Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，即CH₄的平均生成速率的关系为v_Ⅲ>v_Ⅱ>v_Ⅰ；前12小时内在第Ⅱ种催化剂作用下，收集的CH₄最多。
(2)①该反应中，CH₄的用量越多，吸收的热量越多，二者成正比例关系，标注反应热注意二者的对应关系。
②假设CH₄和H₂O的起始量均为x mol，结合平衡时n(CO)＝0.10 mol，有：
　　　　　　　　CH₄(g)＋H₂O(g)=CO(g)＋3H₂(g)
起始浓度(mol·L^－1)　　x　　　　　x　　　　0　　　0
变化量(mol·L^－1)    0.10　   0.10       0.10  0.30
平衡浓度(mol·L^－1)  x－0.10   x－0.10   0.10  0.30
结合K＝＝＝27，
解得x＝0.11 mol·L^－1，
CH₄的转化率＝×100%＝91%。
(3)结合题目所给的两个热化学反应方程式，根据盖斯定律，将两方程式作差即可。