Question

19．“低碳循环”引起各国的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了全世界的普遍重视．所以“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题．
（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
写出CO₂与H₂反应生成CH₄和H₂O（g）的热化学方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1．
（2）将燃煤废气中的CO₂转化为二甲醚的反应原理为：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
已知一定条件下，该反应中CO₂的平衡转化率随温度、投料比[n（H₂）/n（CO₂）]的变化曲线如图1：

①在其他条件不变时，请在图2中画出平衡时CH₃OCH₃的体积分数随投料比[n（H₂）/n（CO₂）]变化的曲线图．
②某温度下，将2.0mol CO₂（g）和6.0mol H₂（g）充入容积为2L的密闭容器中，反应到达平衡时，改变压强和温度，平衡体系中CH₃OCH₃（g）的物质的量分数变化情况如图3示，关于温度和压强的关系判断正确的是BD．
A．P₃＞P₂，T₃＞T₂   B．P₁＞P₃，T₁＞T₃  C．P₂＞P₄，T₄＞T₂   D．P₁＞P₄，T₂＞T₃
（3）煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题．已知等体积的CO和水蒸气进入反应器时，会发生如下反应：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），该反应平衡常数随温度的变化如表所示：

温度/℃	400	500	800
平衡常数K	9.94	9	1

该反应的平衡常数的表达式为：$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；该反应的正反应方向是放热反应（填“吸热”或“放热”），若在500℃时进行，设起始时CO和H₂O的浓度均为0.020mol•L^-1，在该条件下CO的平衡转化率为75%．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也进行相应的运算；
（2）①CH₃OCH₃的体积分数随投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的增大而增大，当体积比是3的时候，甲醚的体积分数最大，由极限法可知，投料比无限增大，虽然二氧化碳的转化率增大，但混合气体总体积无限大，而二甲醚的体积无限接近二氧化碳的一半，二甲醚的体积分数减小；
②由图3可知，温度一定时，平衡时二甲醚的物质的量分数：P₁＞P₂＞P₃＞P₄，而该反应正反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，二甲醚的物质的量分数增大；
由图1可知，投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]一定时，温度越高，平衡时二氧化碳的转化率越高，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，而压强一定时，平衡时二甲醚的物质的量分数：T₁＜T₂＜T₃＜T₄；
（3）化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值；
由表中数据可知，温度越高，平衡常数越小，说明升高温度平衡向，逆反应方向移动；
设CO的浓度变化量为xmol/L，用三段式表示出平衡时各组分物质的，再根据平衡常数列方程计算解答．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，③-①×2+②得：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1；
（2）①CH₃OCH₃的体积分数随投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的增大而增大，当体积比是3的时候，甲醚的体积分数最大，由极限法可知，投料比无限增大，虽然二氧化碳的转化率增大，但混合气体总体积无限大，而二甲醚的体积无限接近二氧化碳的一半，二甲醚的体积分数减小，故二甲醚的体积分数与投料比的关系为：，故答案为：；
②由图3可知，温度一定时，平衡时二甲醚的物质的量分数：P₁＞P₂＞P₃＞P₄，而该反应正反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡向正反应方向移动，二甲醚的物质的量分数增大，故压强：P₁＞P₂＞P₃＞P₄；
由图1可知，投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]一定时，温度越高，平衡时二氧化碳的转化率越高，说明升高温度，平衡向逆反应方向移动，二甲醚的物质的量分数减小，而压强一定时，平衡时二甲醚的物质的量分数：T₁＜T₂＜T₃＜T₄，故温度：T₁＞T₂＞T₃＞T₄，
故选：BD；
（3）反应：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；
由表中数据可知，温度越高，平衡常数越小，说明升高温度平衡向，逆反应方向移动，则正反应为放热反应；
设CO的浓度变化量为xmol/L，则：
             CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
开始（mol/L）：0.02   0.02     0       0
转化（mol/L）：x       x       x       x
平衡（mol/L）：0.02-x  0.02-x  x       x
则$\frac{x×x}{（0.02-x）×（0.02-x）}$=9，解得x=0.015，
故CO的转化率为$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案为：$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；放热；75%．

点评 本题考查热化学方程式书写、化学平衡图象及影响因素、化学平衡计算等，（2）中作图为易错点，注意利用极限法判断二甲醚的体积分数变化情况，注意平衡常数在化学计算中的应用．