Question

6．能源问题是人类社会面临的重大课题，甲醇是未来重要的绿色能源之一．

（1）利用工业废气CO₂可制取甲醇，已知常温常压下下列反应的能量关系如图1：则CO₂与H₂反应生成液态CH₃OH的热化学方程式为CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol．
（2）CH₄和H₂O（g）通过下列转化也可以制得CH₃OH：
I．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H₁＞0
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₂＜0
将1.0molCH₄和3.0molH₂O（g）通入反应室（容积为100L）中，在一定条件下发生反应I，CH₄的转化率与温度、压强的关系如图2所示．
①图中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”），判断的理由是该反应正方向为体积增大的方向，相同温度下，压强越大甲烷的转化率减小，P₂ 的转化率比P₁小，说明P₂＜P₁．
②若反应Ⅱ在恒容密闭容器进行，下列能判断反应Ⅱ达到平衡状态的是cd（填序号）．
a．生成CH₃OH的速率与消耗CO的速率相等        b．混合气体的密度不变
c．混合气体的总物质的量不变       d．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化
③在某温度下，将一定量的CO和H₂投入10L的密闭容器中发生反应II，5min时达到平衡，各物质的物质的浓度（mol•L^-1）变化如下表所示：

	2min	5min	10min
CO	0.07	0.06	0.05
H2	0.14	0.12	0.20
CH3OH	0.03	0.04	0.05

若5min时只改变了某一条件，则所改变的条件是加了1mol氢气．

Answer 1

分析 （1）根据图1中能量变化写出反应的热化学方程式，然后根据盖斯定律写出由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式；
（2）T₁℃时达到平衡时，甲烷转化率为50%，结合化学平衡三段式列式计算平衡时各组分的物质的量；
①该反应正方向为体积增大的方向，增大压强，甲烷的转化率减小；
②可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质物质的量不变、物质的量浓度不变、百分含量不变以及由此引起的一系列物理量不变，据此分析解答；
③根据5min和10min时各物质浓度的变化来确定改变条件，反应达到平衡时，根据反应方程式知各物理量之间的关系式知，c（CO）=0.1mol/L-0.04mol/L=0.06mol/L，C（H₂）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，10min时，c（CO）减小，c（H₂）增大，c（CH₃OH）增大，则平衡向正反应方向移动，但氢气浓度增大，所以改变的物理量是增大了氢气的浓度．

解答 解：（1）图1中的热化学方程式为①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，
依据盖斯定律②-①得：二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
（2）①该反应正方向为体积增大的方向，相同温度下，增大压强，甲烷的转化率减小，由图可知，相同温度下，P₂ 的转化率比P₁小，说明P₂＜P₁；
故答案为：＜；该反应正方向为体积增大的方向，相同温度下，压强越大甲烷的转化率减小，P₂ 的转化率比P₁小，说明P₂＜P₁；
②a．生成CH₃OH的速率与消耗CO的速率均为正反应速率，不能判断平衡状态，故错误；
b．混合气体的体积始终保持不变，质量守恒，所以混合气体的密度始终不变，所以不能判断平衡状态，故错误；
c．该反应为气体的物质的量减少的反应，混合气体的总物质的量不变，说明反应达到平衡状态，故正确；
d．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化，说明反应达到平衡状态，故正确；
故答案为：cd；
③反应达到平衡时，根据反应方程式知各物理量之间的关系式知，c（CO）=0.1mol/L-0.04mol/L=0.06mol/L，C（H₂）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，10min时，c（CO）减小，c（H₂）增大，c（CH₃OH）增大，则平衡向正反应方向移动，但氢气浓度增大，所以改变的物理量是增大了氢气的浓度，氢气浓度增大了0.2mol/L-0.12mol/L+0.02mol/L=0.1mol/L，则加入的氢气的物质的量为10L×0.1mol/L=1mol，
故答案为：加了1 mol氢气．

点评 本题考查了化学平衡移动原理、盖斯定律等知识点，注意把握化学平衡移动的分析和判断，要结合浓度该变量来确定改变条件，难度中等．