Question

9．工业上以煤和水为原料通过一系列转化可变为清洁能源氢气或工业原料甲醇．
（1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
则碳与水蒸气反应C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂（g）+2H₂（g）的△H=△H₁-△H₂-2△H₃．
（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（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．该温度下的平衡常数为5.33（保留三位有效数字）．                
（3）改变温度，使反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中的所有物质都为气态．起始温度体积相同（T₁℃、2L密闭容器）．反应过程中部分数据见表：

	反应时间	CO2（mol）	H2（mol）	CH3OH（mol）	H2O（mol）
反应Ⅰ 恒温恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反应Ⅱ 绝热恒容	0min	0	0	2	2

①达到平衡时，反应Ⅰ、Ⅱ对比：平衡常数K（Ⅰ）＜K（Ⅱ）（填“＞”、“＜”或“=”，下同）；平衡时CH₃OH的浓度c（Ⅰ）＜c（Ⅱ）．
②对反应Ⅰ，前10min内的平均反应速率υ（CH₃OH）=0.025mol•L^-1•min^-1，若30min时只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），则平衡不移动（填“正向”、“逆向”或“不”）．

Answer 1

分析 （1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
结合盖斯定律计算，①-②-2×③得到碳与水蒸气反应的热化学方程式；
（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；
②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；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，反应Ⅰ是恒温恒容容器，Ⅱ为恒容绝热，反应是放热反应，图表中反应ⅠⅡ若恒温恒容达到相同平衡状态，Ⅱ为逆向恒容绝热，温度降低，平衡正向进行，平衡常数增大，甲醇浓度增大；
②反应速率V=$\frac{△c}{△t}$计算得到氢气反应速率，速率之比等于化学方程式计量数之比计算甲醇反应速率；依据平衡三段式列式计算分析平衡状态的物质的量得到平衡浓度，计算此时平衡常数，若30min时只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），计算此时浓度商和平衡常数比较判断反应进行方向．

解答 解：（1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
结合盖斯定律计算，①-②-2×③得到碳与水蒸气反应的热化学方程式为：C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂（g）+2H₂（g）的△H=△H₁-△H₂-2△H₃，
故答案为：△H₁-△H₂-2△H₃；
（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；
故答案为：后者大；降低温度、增大压强；
②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=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{2}}$=$\frac{16}{3}$=5.33，
故答案为：5.33；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，反应Ⅰ是恒温恒容容器，Ⅱ为恒容绝热，反应是放热反应，图表中反应ⅠⅡ若恒温恒容达到相同平衡状态，Ⅱ为逆向恒容绝热，温度降低，平衡正向进行，平衡常数增大，甲醇浓度增大；
故答案为：＜；＜；
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    1              3                   0                0
变化量（mol/L）   0.5           1.5                 0.5                0.5
30min量（mol/L） 0.5            1.5                 0.5             0.5
对反应I，前10min内的平均反应速率v（CH₃OH）=$\frac{1}{3}$V（H₂）=$\frac{1}{3}$×（6-4.5）mol2L10min=0.025mol•L^-1•min^-1；
平衡常数K=$\frac{0.5×0.5}{0.5×1．{5}^{3}}$=$\frac{0.5}{1．{5}^{3}}$，
若30min时只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），
                              CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
3 0min量（mol/L） 0.5             1.5                0.5               0.5
               （mol/L）  1              1.5               0.5                 1
浓度商Q=$\frac{1×0.5}{1×1．{5}^{3}}$=$\frac{0.5}{1．{5}^{3}}$=K，
所以平衡不移动；
故答案为：0.025mol•L^-1•min^-1 ；不．

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．