Question

8．利用光能和光催化劑，可將 CO₂ 和 H₂O（g）轉化為 CH₄ 和 O₂．紫外光照射時，在不同催化劑（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄產(chǎn)量隨光照時間的變化如圖所示．
（1）在0～30 小時內，CH₄的平均生成速率 v_Ⅰ、v_Ⅱ和v_Ⅲ從大到小的順序為V_Ⅲ＞V_Ⅱ＞V_Ⅰ；反應開始后的 12 小時內，在第Ⅱ種催化劑作用下，收集的 CH₄最多．
（2）將所得 CH₄ 與 H₂O（g）通入聚焦太陽能反應器，發(fā)生反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）．該反應△H=+206kJ•mol^-1．
①畫出反應過程中體系能量變化圖（進行必要標注）．
②將等物質的量的CH₄ 和 H₂O（g）充入 1L 恒容密閉反應器中，某溫度下反應達到平衡，平衡常數(shù) K=27，此時測得 CO 的物質的量為 0.10mol，求CH₄的平衡轉化率（計算結果保留兩位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 （1）相同時間甲烷的物質的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質的量的變化量越小，平均反應速率越�。�由圖2可知反應開始后的12小時內，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），該反應的△H=+206kJ•mol^-1，反應是吸熱反應，反應物能量低于生成物能量；依據(jù)能量變化畫出圖象；
②依據(jù)合成平衡三段式列式計算得到轉化率．

解答 解：（1）由圖2可知，在0～30h內，甲烷的物質的量變化量為△n（Ⅰ）＜△n（Ⅱ）＜△n（Ⅲ），故在0～30h內，CH₄的平均生成速率v（Ⅲ）＞v（Ⅱ）＞v（Ⅰ）；
由圖2可知反應開始后的12小時內，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多；
故答案為：V_Ⅲ＞V_Ⅱ＞V_Ⅰ；Ⅱ；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），該反應的△H=+206kJ•mol^-1，反應是吸熱反應，反應過程中體系的能量變化圖為：．
答：反應過程中體系能量變化圖為；
②將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入1L恒容密閉容器，某溫度下反應達到平衡，平衡常數(shù)K=27，此時測得CO的物質的量為0.10mol，根據(jù)平衡的三步計算可求CH₄的平衡轉化率：
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）   x        x         0      0
變化量（mol）   0.10     0.10     0.10   0.30
平衡量（mol）  x-0.10  x-0.10     0.10   0.30
K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.10×0.3{0}^{3}}{（x-0.10）^{2}}$=27
計算得到x=0.11mol
甲烷的轉化率=$\frac{0.10}{0.11}$×100%=91%
答：CH₄的平衡轉化率為91%．

點評 本題綜合考查化學平衡的計算，為高頻考點，側重考查學生的分析能力和計算鞥里，題目涉及圖象分析和畫圖象的方法，平衡計算應用，熱化學方程式的書寫原則和蓋斯定律的計算應用，題目難度中等．