Question

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________；反應開始后的 12 小時內，在第________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，發生反應：CH₄(g)＋H₂O(g) CO(g)＋3H₂(g)。該反應ΔH＝＋206 kJ·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 1 L 恒容密閉反應器中，某溫度下反應達到平衡，平衡常數 K ＝ 27，此時測得 CO 的物質的量為 0.10 mol，求CH₄的平衡轉化率(計算結果保留兩位有效數字)。
(3)已知：CH₄(g)＋2O₂(g)=CO₂(g)＋2H₂O(g)ΔH＝－802 kJ·mol^－1。
寫出由 CO₂生成 CO 的熱化學方程式____________________________________

Answer 1

(1)v_Ⅲ>v_Ⅱ>v_Ⅰ　Ⅱ
(2)①

②91%
(3)CO₂(g)＋3H₂O(g)=CO(g)＋3H₂(g)＋2O₂(g)
ΔH＝＋1008 kJ· mol^－1

本題考查化學反應速率和化學平衡，意在考查考生的識圖能力、三段式解決化學平衡問題能力和蓋斯定律的使用。(1)0～30小時內，CH₄的平均速率＝，由圖可知，30小時內CH₄的產量Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ，即CH₄的平均生成速率的關系為v_Ⅲ>v_Ⅱ>v_Ⅰ；前12小時內在第Ⅱ種催化劑作用下，收集的CH₄最多。
(2)①該反應中，CH₄的用量越多，吸收的熱量越多，二者成正比例關系，標注反應熱注意二者的對應關系。
②假設CH₄和H₂O的起始量均為x mol，結合平衡時n(CO)＝0.10 mol，有：
　　　　　　　　CH₄(g)＋H₂O(g)=CO(g)＋3H₂(g)
起始濃度(mol·L^－1)　　x　　　　　x　　　　0　　　0
變化量(mol·L^－1)    0.10　   0.10       0.10  0.30
平衡濃度(mol·L^－1)  x－0.10   x－0.10   0.10  0.30
結合K＝＝＝27，
解得x＝0.11 mol·L^－1，
CH₄的轉化率＝×100%＝91%。
(3)結合題目所給的兩個熱化學反應方程式，根據蓋斯定律，將兩方程式作差即可。