Question

20．工业上可以以煤和水为原料通过一系列转化变为清洁能源氢气或工业原料甲醇．
（1）用煤制取氢气的反应是：C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ CO₂（g）+2H₂（g）△H＞0
若已知碳的燃烧热a和氢气的燃烧热b不能（填“能”或“不能”）求出上述反应的△H．若能则求出其△H（若不能请说明理由）：因为上述反应与氢气燃烧热的反应中水的状态不同．
（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，
在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）浓度随时间变化如图1所示．
ⅰ．该温度下的平衡常数为5.33．10min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），则平衡正向（填“正向”、“逆向”或“不”）移动．
ⅱ．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．求该反应进行到第10min时k_逆：k_正=3：16．
（3）工业上利用水煤气合成甲醇燃料，反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．在一定条件下，将l mol CO和2mol H₂通入密闭容器中进行反应，当改变某一外界条件（温度或压强）时，CH₃OH的体积分数φ（CH₃OH）变化趋势如图2所示：
①平衡时，M点CH₃OH的体积分数为10%．则CO的转化率为25%．
②X轴上a点的数值比b点小（填“大”或“小”）．Y轴表示温度（填“温度”或“压强”），判断的理由是随着Y值的增加，CH₃OH的体积分数φ（CH₃OH）减小，平衡逆向移动，故Y表示温度．

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）ⅰ．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；
ⅱ．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；
（3）①根据三行式计算得到；
②根据图示信息：X轴上a点的数值比b点小，随着Y值的增加，CH₃OH的体积分数φ（CH₃OH）减小，结合平衡移动原理回答．

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；因为上述反应与氢气燃烧热的反应中水的状态不同；
（2）ⅰ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；
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；
故答案为：5.33；正向；
ⅱ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=3：16；
故答案为：3：16；
（3）①设CO的转化量是x，则
        CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；
初始量：1mol      2mol      0
变化量：x         2x      x
平衡量：1-x      2-2x     x
平衡时，CH₃OH的体积分数为10%，则$\frac{x}{1-x+2-2x+x}$×100%=10%，x=0.25，所以CO的转化率为$\frac{0.25mol}{1mol}$×100%=25%，故答案为：25%；
②根据图示信息：X轴上a点的数值比b点小，随着Y值的增加，CH₃OH的体积分数φ（CH₃OH）减小，平衡逆向移动，故Y表示温度，故答案为：小；温度；随着Y值的增加，CH₃OH的体积分数φ（CH₃OH）减小，平衡逆向移动，故Y表示温度．

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、平衡移动原理的应用，题目难度中等，明确化学平衡常数的概念及表达式为解答关键，本题也可以利用三段式计算，试题培养了学生的分析能力及化学计算能力．