Question

9．燃煤技术的改进，有助于合理控制温室效应、环境污染，并能进行资源化利用，还可重新获得燃料或重要工业产品．工业上以煤和水为原料通过一系列转化变为清洁能源氢气和工业原料甲醇．
（1）若碳的燃烧热为393.5KJ•mol^-1，氢气的燃烧热为285.8KJ•mol^-1．已知反应
C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CO₂（g）+2H₂（g）△H＞0，能否求出该反应的△H不能（填“能”或“不能”）．若能则求出其△H（若不能请说明理由）：上述反应与氢气燃烧热的反应中水的状态不同或H₂O_（g）?H₂O_（l）△H未知．
（2）工业上也可以仅利用上述反应得到的CO₂和H₂进一步合成甲醇，反应方程式为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0
①工业生产过程中CO₂和H₂的转化率后者大（填“前者大”、“后者大”、“一样大”或“无法判断”），为了提高甲醇的产率可以采取的措施是降低温度、增大压强或分离产物（填两点）．
②在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）浓度随时间变化如图所示．
i．用H₂表示0-3min内该反应的平均反应速率0.5mol•L^-1•min^-1．
ii．该温度下的平衡常数为5.33mol^-2•L^-2．10min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO_2（g）和1mol H₂O_（g），此时V_正＞V_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
iii．对于基元反应aA+bB?cC+dD而言，其某一时刻的瞬时速率计算公式如下：正反应速率为v_正=k_正•c（A）^a•c（B）^b；逆反应速率为v_逆=k_逆•c（C）^c•c（D）^d，其中k_正、k_逆为速率常数．若将上述反应视为基元反应则在上述条件下k_逆：k_正=3：16．反应进行到第3min时V_正：V_逆=36．

Answer 1

分析 （1）反应热与物质的聚集状态有关，聚集状态不同，反应热不同；
（2）①可逆反应中增大一种反应物浓度可以提高另一种反应物转化率，依据CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0为气体体积减小的、放热反应特点结合影响化学平衡移动的因素解答；
②ⅰ．图象中计算0-3min内甲醇的反应速率v（CH₃OH）=$\frac{0.50mol/L}{3min}$，用H₂表示0-3min内该反应的平均反应速率v（H₂）=3v（CH₃OH）=；
ⅱ．计算平衡时氢气、水的浓度，再根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），相当于增大压强，增压平衡向气体系数小的方向移动；
iii．平衡时满足V正=V逆，v_正=k_正•c（A）^a•c（B）^b；V_逆=k_逆•c（C）^c•c（D）^d，则k逆：k正=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=K；
计算3mim时各物质浓度，据此计算正逆反应瞬时速率之比．

解答 解：（1）反应热与物质的聚集状态有关，聚集状态不同，反应热不同，上述反应与氢气燃烧热的反应中水的状态不同，所以不能求出上述反应的焓变；
故答案为：不能；上述反应与氢气燃烧热的反应中水的状态不同或H₂O_（g）?H₂O_（l）△H未知；
（2）①C（s）+2H₂O（g）?CO₂（g）+2H₂（g）△H＞0生成二氧化碳和氢气的物质的量之比为1：2，而CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，二氧化碳和氢气物质的量之比为1：3，相对与增大二氧化碳浓度，所以氢气的转化率大于二氧化碳转化率；
CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0为气体体积减小的、放热反应，要想提高甲醇的产率可以采取的措施是降低温度、增大压强使平衡向正向移动，分离产物平衡正向进行，提高甲醇的产率，
故答案为：后者大；降低温度；增大压强或分离产物；
②i．图象中计算0-3min内甲醇的反应速率v（CH₃OH）=$\frac{0.50mol/L}{3min}$，用H₂表示0-3min内该反应的平均反应速率v（H₂）=3v（CH₃OH）=0.5mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.5mol•L^-1•min^-1；
ⅱ．平衡时甲醇为0.75mol/L、二氧化碳为0.25mol/L，则：
                              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始浓度（mol/L）：1             3                     0             0
变化浓度（mol/L）：0.75       2.25                0.75        0.75
平衡浓度（mol/L）：0.50       0.75                0.75         0.75
则平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$=5.33；
保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），相当于增大压强，增压平衡向气体系数小的方向移动，即向正方向移动，此时V_正＞V_逆，
故答案为：5.33；＞；
iii．平衡时满足V正=V逆，v_正=k_正•c（A）^a•c（B）^b；V_逆=k_逆•c（C）^c•c（D）^d，
则k逆：k正=$\frac{{c}^{a}（A）{c}^{b}（B）}{{c}^{c}（C）{c}^{d}（D）}$=$\frac{1}{K}$=3：16；
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始浓度（mol/L）：1              3              0                 0
变化浓度（mol/L）：0.50        1.50         0.50           0.50
3min浓度（mol/L）：0.50        1.50        0.50           0.50
v_正=k_正•c（A）^a•c（B）^b；
V_逆=k_逆•c（C）^c•c（D）^d；
V_正：V_逆=$\frac{{c}^{a}（A）{c}^{b}（B）}{{c}^{c}（C）{c}^{d}（D）}$×$\frac{{K}_{正}}{{K}_{逆}}$=$\frac{{K}_{正}}{{K}_{逆}}$×$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=36；
故答案为：3：16； 36．

点评 本题为综合题，涉及反应热的计算、化学平衡平衡移动影响因素、化学平衡常数计算，题目难度中等，解题关键需掌握化学平衡理论，注意三段式的应用．