Question

11．开发新能源是解决环境污染的重要举措，工业常用CH₄与CO₂反应制备H₂和CO，再H₂和CO利用合成甲醇．
（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1274.0KJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0KJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44KJ/mol
则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ?mol^-1．
（2）在恒容密闭容器中通入CH₄与CO₂，使其物质的量浓度为1.0mol/L，在一定条件下发生反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示：

则：①该反应的△H＞0（填“＜、=或＞”）；
②压强P₁、P₂、P₃、P₄由大到小的关系为p₄＞p₃＞p₂＞p₁．压强为P₄时，在b点：v（正）＞v（逆）．（填“＜、=或＞”）
③对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数（记作K_p），则该反应的平衡常数的表达式K_p=$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$；如果P₄=0.36MPa，求a点的平衡常数K_p=1.64（MPa）²；（保留3位有效数字，用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）
④为探究速率与浓度的关系，该实验中，根据相关实验数据，粗略绘制出了2条速率-浓度 关系曲线：v_正～c（CH₄）和v_逆～c（CO）．

则：ⅰ）与曲线v_正～c（CH₄）相对应的是上图中曲线乙（填“甲”或“乙”）．
ⅱ）当降低到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的平衡点分别为BF（填字母）．

Answer 1

分析 （1）根据热化学方程式利用盖斯定律计算反应热并书写热化学方程式；
（2）①由图可知，压强一定时，温度越高甲烷的转化率越大，升高温度平衡向正反应进行，据此判断；
②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），据此结合方程式判断压强对平衡移动的影响进行解答，由图可知，压强为P₄、1100℃的条件下，到达平衡X点时甲烷的转化率为80%，Y点甲烷的转化率小于80%，反应向正反应进行；
③对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数（记作K_p），平衡常数等于生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积得到，结合化学平衡三段式列式计算，设体积为1L，a点甲烷转化率为80%，
                       CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
起始量（mol） 1                1                0              0
变化量（mol）0.8            0.8            1.6              1.6
平衡量（mol）0.2             0.2            1.6              1.6
④ⅰ）甲烷是反应物随反应进行浓度减小，CO是生成物，浓度从0到0.8；
ii）反应是吸热反应，降温平衡逆向进行，CO逆反应速率减小，正反应速率减小，甲烷浓度增大，一氧化碳浓度减小．

解答 解：（1）根据盖斯定律，将已知反应[①-②-③×4]÷2得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以该反应的△H=[（-1274.0kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）-（-44.0kJ/mol）×4]÷2=442kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442kJ•mol^-1；
（2）①由图可知，压强一定时，温度越高甲烷的转化率越大，升高温度平衡向正反应进行，故正反应为吸热反应，即△H＞0，
故答案为：＞；
 ②由图可知，温度一定时，甲烷的转化率α（P₁）＞α（P₂）＞α（P₃）＞α（P₄），该反应正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应进行，甲烷的转化率降低，故压强P₄＞P₃＞P₂＞P₁，由图可知，压强为P₄、1100℃的条件下，到达平衡X点时甲烷的转化率为80%，Y点甲烷的转化率小于80%，反应向正反应进行，故在Y点：v（正）＞v（逆），
故答案为：p₄＞p₃＞p₂＞p₁；＞；
③对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数（记作K_p），则该反应的平衡常数的表达式K_p=$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$，
结合化学平衡三段式列式计算，设体积为1L，a点甲烷转化率为80%，
                 CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
起始量（mol） 1                1                0              0
变化量（mol）0.8            0.8            1.6              1.6
平衡量（mol）0.2             0.2            1.6              1.6
平衡气体总物质的量=3.6mol，如果P₄=0.36MPa，用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，求a点的平衡常数K_p=$\frac{（0.36×\frac{1.6}{3.6}）^{2}×（0.36×\frac{1.6}{3.6}）^{2}}{0.36×\frac{1.6}{3.6}×0.36×\frac{1.6}{3.6}}$=1.64（MPa）²，
故答案为：$\frac{{P}^{2}（CO）{P}^{2}（{H}_{2}）}{P（C{O}_{2}）P（C{H}_{4}）}$；1.64（MPa）²；
④i）甲烷是反应物随反应进行浓度减小，CO是生成物，浓度从0到0.8，所以与曲线v_正～c（CH₄）相对应的是上图中曲线是乙，
故答案为：乙； 
ii）反应是吸热反应，降温平衡逆向进行，CO逆反应速率减小，正反应速率减小，甲烷浓度增大，一氧化碳浓度减小，反应重新达到平衡，相应的平衡点分别为BF，
故答案为：B F．

点评 本题考查化学平衡图象、影响化学平衡的因素、化学平衡常数等，难度中等，注意利用“定一议二”原则分析解答．