Question

研究CO₂与CH₄的反应使之转化为CO和H₂，对减缓燃料危机，减少温室效应具有重要的意义。

（1）已知CH₄(g)＋CO₂(g)2CO(g)＋2H₂(g)  △H＝＋248kJ·mol^－1、△S＝310J •mol^-1·K^-1，该反应能自发进行的温度范围为____。

（2）在密闭恒容容器中通入物质的量浓度均为0.1 mol·L^－1的CH₄与CO₂，在一定条件下发生反应CH₄(g)＋CO₂(g)2CO(g)＋2H₂(g)，测得CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。

①工业生产时一般会选用P₄和1250℃进行合成，请解释其原因___________。

②在压强为P₃、1000℃的条件下，该反应5min时达到平衡点Y，则用CO表示该反应的速率为_____，该温度下，反应的平衡常数为_________（保留3位有效数字）。

（3）CO和H₂在工业上还可以通过反应C(s)＋H₂O(g) CO(g)＋H₂ (g)来制取

①在恒温恒容下，如果从反应物出发建立平衡，可认定已达平衡状态的是________。

A．体系压强不再变化           B．H₂、CO和H₂O的物质的量之比为1:1:1    

C．混合气体的密度保持不变     D．混合气体中H₂O的百分含量保持不变

②在某体积可变的密闭容器中同时投入四种物质，2min时达到平衡，测得容器中有1mol H₂O（g）、1mol CO（g）、2.2molH₂（g）和足量的C（s），如果此时对体系加压，平衡向__________(填“正”或“逆”)反应方向移动，达到新的平衡后，气体的平均摩尔质量为__________________。

Answer

大于800K 较大的压强和温度能加快合成速率，提高生产效率 0.036mol·L－1·min－1 10.5 ACD 逆 12 g/mol

【解析】

（1）根据反应能自发进行分析；

（2）①根据压强对平衡状态的影响分析；

②根据计算用CO表示该反应的速率；利用“三段式”计算平衡常数。

（3）①可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些变量也不再变化，据此解答；

②根据增大压强，平衡向着气体体积减小的方向移动来分析；根据=计算相对分子质量。

（1）根据，，所以800K；

（2）①温度越高，反应速率、CH4的平衡转化率都增大，增大压强CH4的平衡转化率降低，但反应速率增大，能提高生产效率，所以工业生产时一般会选用P4和1250℃进行合成；

②

CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)

开始 0.1 0.1 0 0

转化 0.09 0.09 0.18 0.18

平衡 0.01 0.01 0.18 0.18

0.036mol·L－1·min－1；

10.5

（3）①A．该反应过程中气体物质的量增大，体系压强增大，体系压强不再变化一定平衡，故选A；

B．H2、CO和H2O的物质的量之比为1:1:1时，浓度不一定不再改变，所以不一定平衡，故不选B；

C．反应前后气体质量是变量，所以密度是变量，若混合气体的密度保持不变反应一定达到平衡状态，故选C；

D．反应过程中混合气体中H2O的百分含量是变量，若保持不变，反应一定达到平衡状态，故选D。

②根据勒沙特列原理可知，增大压强，平衡向着气体体积减小的方向移动，此反应的逆反应方向是个气体体积减小的方向，故增大压强，向逆反应方向移动；设达到新平衡后有XmolH2被消耗，则有：

      C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g）

起始量（mol） 1      1  2.2

转变量（mol）    X      X    X
剩余量（mol）   （1+X）   （1-X） （2.2-X）
混合气体的平均相对分子质量即平均摩尔质量= =12g/mol。