Question

12．“低碳经济”备受关注，CO₂的有效开发利用成为科学家研究的重要课题．
（1）已知：
CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ•mol^-1
H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
C（s）的燃烧热△H=-394.0kJ•mol^-1
则表示H₂燃烧热的热化学方程式为H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol．
（2）在0.1MPa、Ru/TiO₂催化下，将H₂和CO₂按投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4：1置于恒压密闭容器中发生反应：
反应I  CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁
反应II  CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂
测得CO₂转化率、CH₄和CO选择性随温度变化情况分别如图1和图2所示．
（选择性：转化的CO₂中生成CH₄或CO的百分比）

①反应I的△H₁＜ （填“＞”、“＜“或“=”）0；理由是反应Ⅰ达到平衡状态后，随温度升高二氧化碳平衡转化率减小，说明正反应为放热反应．
②温度过高或过低均不利于反应I的进行，原因是温度过低，化学反应速率慢，温度过高反应Ⅰ向逆反应方向进行且CH₄的选择性减小．
③350℃时，反应I的平衡常数K_p=2.89×10⁴（MPa）^-2（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）．
④为减少CO在产物中的比率，可采取的措施有降低温度或增加压强（列举一条）．
（3）为探究反应I的反应速率与浓度的关系，向恒容密闭容器中通入浓度均为1.0mol•L^-1的H₂与CO₂．根据相关数据绘制出反应速率与浓度关系曲线：v_正～c（CO₂）和v_逆～c（H₂O）．则与曲线v_正～c（CO₂）相对应的是图3曲线乙（填“甲”或“乙”）；该反应达到平衡后，某一时刻降低温度，反应重新达到平衡，则此时曲线甲对应的平衡点可能为D（填字母，下同），曲线乙对应的平衡点可能为C．

Answer 1

分析 （1）①CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ•mol^-1
②H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
C（s）的燃烧热△H=-394.0kJ•mol^-1，故热化学方程式为③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394.0kJ•mol^-1
$\frac{1}{2}×①$+$\frac{1}{2}×$③-②得，H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol据此进行分析；
（2）①反应Ⅰ达到平衡状态后，随温度升高二氧化碳平衡转化率减小，说明正反应为放热反应；
②据影响平衡移动及化学反应快慢来分析；
③K_p=$\frac{p（C{H}_{4}）{p}^{2}（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）{p}^{4}（{H}_{2}）}$进行计算；
④由图象得，为减少CO在产物中的比率，可采取的措施有降低温度或增加压强，据此进行分析；
（3）CH₄与CO₂其起始的物质的量浓度均为1.0 mol•L^-1，且随着反应的进行，甲烷的浓度会越来越小，正反应速率也会越来越小，据此判断，根据图可知，反应平衡时图中对应的点应为A和F点，降温后，反应速率减小，平衡逆向移，甲烷的浓度会增大，CO浓度减小，据此判断．

解答 解：（1）①CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ/mol
②H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ/mol
C（s）的燃烧热△H=-394.0kJ•mol^-1，故热化学方程式为③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394.0kJ/mol
$\frac{1}{2}×①$+$\frac{1}{2}×$③-②得，H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol，
故答案为：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol；
（2）①反应Ⅰ达到平衡状态后，随温度升高二氧化碳平衡转化率减小，说明正反应为放热反应，故＜0；原因是反应Ⅰ达到平衡状态后，随温度升高二氧化碳平衡转化率减小，说明正反应为放热反应，
故答案为：＜；反应Ⅰ达到平衡状态后，随温度升高二氧化碳平衡转化率减小，说明正反应为放热反应；
②温度过高或过低均不利于反应I的进行，原因是：温度过低，化学反应速率慢，温度过高反应Ⅰ向逆反应方向进行且CH₄的选择性减小，
故答案为：温度过低，化学反应速率慢，温度过高反应Ⅰ向逆反应方向进行且CH₄的选择性减小；
③CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
开始（n）       1             4                0              0
变化              0.8           3.2             0.8           1.6
平衡              0.2           0.8             0.8           1.6，则p（CO₂）=$\frac{0.2}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{1}{170}$MPa，p（H₂）=$\frac{0.8}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{4}{170}$MPa，p（CH₄）=$\frac{0.8}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{4}{170}$MPa，p（H₂O）=$\frac{1.6}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{8}{170}$MPa，则K_p=$\frac{p（C{H}_{4}）{p}^{2}（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）{p}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{4}{170}MPa×（\frac{8}{170}MPa）^{2}}{\frac{1}{170}MPa×（\frac{4}{170}MPa）^{4}}$=2.89×10⁴（MPa）^-2，
故答案为：2.89×10⁴（MPa）^-2；
④由图象得，为减少CO在产物中的比率，可采取的措施有降低温度或增加压强，
故答案为：降低温度或增加压强；
（3）CH₄与CO₂其起始的物质的量浓度均为1.0 mol•L^-1，且随着反应的进行，甲烷的浓度会越来越小，正反应速率也会越来越小，所以曲线v_正-c（CH₄）相对应的是如图3中曲线是乙线；根据图可知，反应平衡时图中对应的点应为A和F点，降温后，反应速率减小，平衡逆向移动，甲烷的浓度会增大，所以此时曲线甲对应的平衡点可能为应为D点；降温后，反应速率减小，平衡逆向移动，CO浓度减小，曲线乙对应的平衡点可能为C点，
故答案为：乙；D；C．

点评 本题考查燃烧热化学方程式的书写，反应热的判断，平衡的移动，化学平衡常数的计算等，本题难度中等．