Question

20．CO和H₂可作为能源和化工原料，应用十分广泛．制取CO和H₂的有关化学反应的能量变化如下图所示．

（1）写出CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO（g）和H₂（g）的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1．
（2）CO和H₂可以合成二甲醚，化学方程式为3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H＜0．  如果上述反应方程式的平衡常数K值变大，则该反应AD（选填编号）．
A．一定向正反应方向移动       B．在平衡移动时正反应速率先增大后减小
C．一定向逆反应方向移动       D．在平衡移动时逆反应速率先减小后增大
（3）一定条件下，可以由CO₂（g）和H₂（g）合成CH₄（g），同时还生成H₂O（g）．
①向一容积为2L的恒容密闭容器中充人一定量的CO₂和H₂，在300℃时发生上述反应，10min达到平衡时部分物质的浓度如下图1所示：

用CH₄表示达到平衡时的正反应速率0.08 mol•L^-1•min^-1，起始充H₂的物质的量为8mol，该温度下的平衡常数等于25．
②图2表示H₂在建立平衡过程中的速率时间图，若现在20min时扩大容器体积，并在30min时又达到状态，请在图2中画出H₂的逆反应方向速率时间图象．

Answer 1

分析 （1）由图1、图2、图3可得热化学方程式：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•mol^-1，
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-282kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②-③×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）；
（2）正反应为放热反应，平衡常数增大，应降低温度，平衡正向移动；
（3）①平衡状态c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
              CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L）：1.0    4.0      0        0
变化量（mol/L）：0.8   3.2     0.8       1.6
平衡量（mol/L）：0.2   0.8     0.8       1.6
根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₄），根据n=cV计算氢气起始物质的量；代入K=$\frac{c（C{H}_{4}）×{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{4}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
②若现在20min时扩大容器体积，瞬间氢气浓度减小，反应速率减小，平衡逆向移动，逆反应速率减小的小到达到平衡状态．

解答 解：（1）由图1、图2、图3可得热化学方程式：
①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3kJ•mol^-1，
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-282kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①-②-③×3可得：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+161.1kJ•mol^-1；
（2）反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H＜0，故若使平衡常数K值变大，则平衡右移，必须通过降低温度才能实现．
A．平衡常数K值变大，平衡右移，故A正确；
B．平衡常数K值变大，平衡右移，须降低温度，而降低温度时正反应速率一直减小，故B错误；
C．平衡常数K值变大，平衡右移，故C错误；
D．平衡常数K值变大，平衡右移，须降低温度，而降低温度时逆反应速率开始减小，由于平衡右移，生成物的浓度后来增大，故逆反应速率后来增大，故D正确．
故选：AD；
（3）①平衡状态c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
               CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L）：1.0    4.0       0        0
变化量（mol/L）：0.8    3.2       0.8      1.6
平衡量（mol/L）：0.2    0.8       0.8      1.6
用CH₄表示达到平衡时的正反应速率=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08 mol•L^-1•min^-1；
起始充H₂的物质的量=4.0mol/L×2L=8mol；
平衡常数K=$\frac{0.8×1．{6}^{2}}{0.2×0．{8}^{4}}$=25；
故答案为：0.08 mol•L^-1•min^-1； 8 mol； 25；
②若现在20min时扩大容器体积，瞬间氢气浓度减小，反应速率减小，平衡逆向移动，逆反应速率减小的小到达到平衡状态，氢气的逆反应速率如右图：，故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率、化学平衡常数、热化学方程式等，难度中等，注意平衡常数计算与应用，题目难度中等．