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15.用甲烷和二氧化碳可以制备化工原料.
(1)一定温度下,向容积恒定为2L的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4,发生如下反应:
CO2(g)+CH4 (g)?2CO (g)+2H2(g)
反应在2min末达到平衡状态,此时测得CO2和CO的体积分数相等.请回答下列问题:
①2min内,用H2来表示的反应速率v(H2)=0.5mol/(L.min);
②此温度下该反应的平衡常数K=1;
③下列叙述可以作为该反应达到平衡状态的标志的是BC;(填选项字母)
A.v正(CH4)=2v 逆(H2)           B.容器内压强保持恒定不变
C.反应中断裂2mol C一H键同时消耗lmolH2   D.容器内混合气体的密度保持恒定不变
④已知:
物质H2COCH4CH3COOH
燃烧热(kJ/mol)286283890874
则反应CO2(g)+CH4(g)?2CO (g)+2H2(g)△H=+248kJ/mol.
⑤为提高CH4的转化率,可以采取的措施是减小反应压强、增大CO2的浓度(写两点).
(2)在催化作用下,甲烷和二氧化碳还可以直接转化成乙酸.
①在不同温度下乙酸的生成速率如图所示:

在250~400℃范围内,乙酸的生成速率随温度变化的原因是温度超过250℃时,温度升高催化剂的催化效率降低,250~300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率降低,而温度高于300℃后,温度是影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率随温度升高而升高.
②250℃与400℃时乙酸的生成速率相近,请分析判断实际生产选择的最佳温度是250℃.

分析 (1)一定温度下,向容积恒定为2L的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4,反应在2min末达到平衡状态,此时测得CO2和CO的体积分数相等,则:
           CO2(g)+CH4 (g)?2CO (g)+2H2(g)
起始量(mol):3       3         0         0
变化量(mol):x       x         2x        2x
平衡量(mol):3-x     3-x       2x        2x
则3-x=2x,解得x=1,
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v(H2);
②根据K=$\frac{{c}^{2}(CO)×{c}^{2}({H}_{2})}{c(C{O}_{2})×c(C{H}_{4})}$计算平衡常数;
③可逆反应到达平衡时,同种物质的正逆速率相等且保持不变,各组分的浓度、含量保持不变,由此衍生的其它一些量不变,判断平衡的物理量应随反应进行发生变化,该物理量由变化到不再变化说明到达平衡;
④④氢气燃烧热的热化学方程式:H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)=H2O(l)△H=-286kJ/mol ①
CO燃烧热的热化学方程式:CO(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)=CO2(g)△H=-283kJ/mol ②
CH4燃烧热的热化学方程式为:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-890kJ/mol ③
根据盖斯定律,③-②×2-①×2可得:CO2(g)+CH4(g)?2CO(g)+2H2(g);
⑤为提高CH4的转化率,应改变条件使平衡正向移动,结合平衡常移动原理分析解答,不能只增大甲烷浓度,否则其转化率会降低;
(2)①温度超过250℃时,温度升高催化剂的催化效率降低,250~300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素,温度高于300℃后,温度是影响反应速率主要因素;
②从综合经济效益考虑,250℃时催化剂的催化效果最好,提高温度耗费较高的能量,并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动.

解答 解:(1)一定温度下,向容积恒定为2L的密闭容器中通人3molCO2、3molCH4,反应在2min末达到平衡状态,此时测得CO2和CO的体积分数相等,则:
            CO2(g)+CH4 (g)?2CO (g)+2H2(g)
起始量(mol):3       3           0         0
变化量(mol):x       x           2x        2x
平衡量(mol):3-x     3-x         2x        2x
则3-x=2x,解得x=1,
①v(H2)=$\frac{\frac{2mol}{2L}}{2min}$=0.5mol/(L.min),故答案为:0.5mol/(L.min);
②该温度下,平衡常数K=$\frac{{c}^{2}(CO)×{c}^{2}({H}_{2})}{c(C{O}_{2})×c(C{H}_{4})}$=$\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1,故答案为:1;
③③CO2(g)+CH4(g)?2CO(g)+2H2(g),反应是气体体积增大的反应,
A.速率之比等于化学方程式计量数之比,2则v正(CH4)=v正(H2),当2v正(CH4)=v逆(H2),反应达到平衡状态,但v正(CH4)=2v逆(H2)不符合速率之比,不能说明反应达到平衡状态,故A错误;
B.反应前后气体物质的量变化,恒温恒容下压强发生变化,当容器内压强保持恒定不变,说明反应达到平衡状态,故B正确;
C.反应中断裂4molC-H键同时消耗1mol H2时反应达到平衡状态,反应中断裂2molC-H键同时消耗1mol H2,说明反应达到平衡状态,故C正确;
D.反应前后气体质量和体积不变,容器内混合气体的密度始终保持恒定不变,不能说明反应达到平衡状态,故D错误,
故选:BC;
④氢气燃烧热的热化学方程式:H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)=H2O(l)△H=-286kJ/mol ①
CO燃烧热的热化学方程式:CO(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)=CO2(g)△H=-283kJ/mol ②
CH4燃烧热的热化学方程式为:CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-890kJ/mol ③
根据盖斯定律,③-②×2-①×2可得:CO2(g)+CH4(g)?2CO(g)+2H2(g)△H=+248kJ/mol,
故答案为:+248kJ/mol;
⑤正反应是气体体积增大的反应吸热反应,减小反应压强、增大CO2的浓度、升高温度等,平衡正向移动,反应物甲烷的转化率增大,
故答案为:减小反应压强、增大CO2的浓度;
(2)①温度超过250℃时,温度升高催化剂的催化效率降低,250~300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率降低,而温度高于300℃后,温度是影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率随温度升高而升高,
故答案为:温度超过250℃时,温度升高催化剂的催化效率降低,250~300℃之间催化剂为影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率降低,而温度高于300℃后,温度是影响反应速率主要因素,乙酸的生成速率随温度升高而升高;
②工业生产中该反应的温度常选择250℃、不选择400℃,从综合经济效益考虑,是因为250℃时,催化剂的催化效果最好,提高温度耗费较高的能量,并且低温条件有利于平衡向着正反应方向移动,
故答案为:250℃.

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、平衡状态判断、反应速率、平衡常数、反应热计算等,综合性强,是对学生综合能力的考查,难度中等.

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