Question

4．某合成气的主要成分是一氧化碳和氢气，可用于合成甲醚等清洁燃料．由天然气获得该合成气过程中可能发生的反应有：
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
请回答下列问题：
（1）在一密闭容器中进行反应①，测得CH₄的物质的量浓度随反应时间的变化如图1所示．

反应进行的前5min内，v（H₂）=0.3mol/（L•min）；10min时，改变的外界条件可能是升高温度．反应①平衡常数表达式为$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）如图2所示，在甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和CO₂，使甲、乙两容器初始容积相等．在相同温度下发生反应②，并维持反应过程中温度不变．已知甲容器中CH₄的转化率随时间的变化如图3所示，请在图3中画出乙容器中CH₄的转化率随时间变化的图象．
（3）反应③中△H₃=-41.2kJ/mol．800℃时，反应③的平衡常数K=1，测得该温度下密闭容器中某时刻各物质的物质的量见表：

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

此时反应③中正、逆反应速率的关系式是a（填代号）．
a．v_正＞v_逆  b．v_正＜v_逆 c．v_正=v_逆  d．无法判断．

Answer 1

分析 （1）根据图可知，前5min内甲烷的浓度由1.00mol/L减小为0.50mol/L，以此计算v（H₂），由图可知，10min时甲烷的浓度继续减小，该反应向正反应方向移动，化学平衡常数是各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积与各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积的比值；
（2）甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和CO₂，且甲、乙两容器初始容积相等，由图可知，甲的体积不变，乙的压强不变，则假定甲不变，乙中发生CH₄+CO₂?2CO+2H₂，其体积增大，则相当于压强减小，化学平衡向正反应方向移动，乙容器中CH₄的转化率增大，但压强小，反应速率减慢，则达到平衡的时间变长；
（3）根据盖斯定律可知，①-②可得反应③，再利用Q与K的关系判断反应进行的方向，从而确定正逆反应速率的关系．

解答 解：（1）根据图可知，前5min内甲烷的浓度由1.00mol/L减小为0.50mol/L，则v（CH₄）=$\frac{1.00mol/L-0.50mol/L}{5min}$=0.1mol/（L•min），由化学计量数之比等于反应速率之比，则v（H₂）=3×0.1mol/（L•min）=0.3mol/（L•min），
由图可知，10min时甲烷的浓度继续减小，该反应向正反应方向移动，而该反应为吸热反应，则升高温度符合题意，
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），K=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案为：0.3 mol/（L•min）；升高温度；$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}）^{3}}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和CO₂，且甲、乙两容器初始容积相等，由图可知，甲的体积不变，乙的压强不变，则假定甲不变，乙中发生CH₄+CO₂?2CO+2H₂，其体积增大，则相当于压强减小，化学平衡向正反应方向移动，乙容器中CH₄的转化率增大，但压强小，反应速率减慢，则达到平衡的时间变长，则乙中CH₄的转化率随时间变化的图象为
，
故答案为：；
（3）根据盖斯定律可知，①-②可得反应③，则△H₃=+206.1kJ/mol-（+247.3kJ/mol）=-41.2kJ/mol，
800℃时，反应③的K=1.0时，正逆反应速率相等，化学平衡不移动；
由表格中的数据可知，气体的体积相同，则物质的量与浓度成正比，Q=$\frac{2.0×2.0}{0.5×8.5}$＜K=1.0，该反应向正反应方向移动，则正反应速率大于逆反应速率，即选a，
故答案为：-41.2 kJ/mol；a．

点评 本题考查化学反应速率的计算，化学平衡的移动及反应方向的判断，难度中等，（2）是学生解答中的难点，注意利用思维转化的方法来解答．