Question

【题目】“低碳经济”已成为全世界科学家研究的重要课题。为减小和消除CO2对环境的影响，一方面世界各国都在限制其排放量，另一方面科学家加强了对CO2创新利用的研究。

（1）已知：①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)　ΔH=-41 kJ·mol-1

②C(s)+2H2(g)CH4(g)　ΔH=-73 kJ·mol-1

③2CO(g)C(s)+CO2(g)　ΔH=-171 kJ·mol-1

写出CO2与H2反应生成CH4和H2O(g)的热化学方程式：_____________________________________。

（2）目前工业上有一种方法是用CO2来生产燃料甲醇。为探究该反应原理，在容积为2 L的密闭容器中，充入1 mol CO2和3.25 mol H2在一定条件下发生反应，测得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物质的量(n)随时间的变化如图所示：

①反应的化学方程式为：____________________________________________________。

②从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v(H2)=_____________mol/(Lmin)。

（3）煤化工通常研究不同条件下CO转化率以解决实际问题。已知在催化剂存在条件下反应：CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)中CO的平衡转化率随p(H2O)/p(CO)及温度变化关系如图所示： [p(H2O)、p(CO)表示H2O、CO的平衡分压，分压=总压×物质的量分数]：

①上述反应的逆反应方向是_____________反应(填“吸热”或“放热”)；

②对于气相反应，用某组分(B)的平衡分压(pB)代替平衡浓度(cB)也可以表示平衡常数(记作Kp)，，则该反应的Kp=______________，提高，则Kp_____________(填“变大”“变小”或“不变”)。使用铁镁催化剂的实际工业流程中，一般采用400 ℃左右、=3～5，采用此条件的原因可能是______________________________________________________________________。

Answer 1

【答案】 CO2（g）+4H2（g） CH4（g）+2H2O（g）；ΔH=-162kJmol-1 CO2+3H2CH3OH+H2O 0.1125 吸热 不变 投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右

【解析】（1）已知：①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)　ΔH1=-41 kJ·mol-1

②C(s)+2H2(g)CH4(g)　ΔH2=-73 kJ·mol-1

③2CO(g)C(s)+CO2(g)　ΔH3=-171 kJ·mol-1

根据盖斯定律，由③-2×①+②得反应CO2（g）+4H2（g） CH4（g）+2H2O（g）；ΔH=ΔH3-2×ΔH1+ΔH2=-171 kJ·mol-1-2×（-41 kJ·mol-1）+（-73 kJ·mol-1）=-162kJmol-1；(2) ①根据图中曲线信息可知，v（CO2）=、v（H2O）=v（CH3OH）=，根据化学反应速率之比等于反应方程式的计量数之比可知反应中CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的系数均为1，结合化学方程式配平可得反应的化学方程式为：CO2+3H2CH3OH+H2O；②根据反应速率之比等于计量数之比，从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H2）=3v（CO2）=；（3）①由图可知p(H2O)/p(CO)相同时温度越高CO的平衡转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则逆反应为吸热反应；②对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（pB）代替物质的量浓度也可以表示平衡常数（记作Kp），反应的平衡常数=；平衡常数只与温度有关，与浓度无关，所以提高比，则KP不变；由图象可知，投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右，所以一般采用400℃左右， =3～5。