Question

6．近年來，碳和碳的化合物在生產(chǎn)生活實際中應(yīng)用越來越廣泛．

（1）CO和H₂的混合氣體俗稱合成氣，是一種重要的工業(yè)原料氣，焦炭、天然氣（主要成分為CH₄）、重油、煤在高溫下均可與水蒸氣反應(yīng)制得合成氣．已知某反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為：K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，它所對應(yīng)的化學(xué)方程式為：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）．
（2）甲醇是一種重要的化工原料，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用．工業(yè)上一般采用下列兩種反應(yīng)合成甲醇：
反應(yīng)Ⅰ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
反應(yīng)Ⅱ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
①在以上制備甲醇的兩個反應(yīng)中：反應(yīng)Ⅰ優(yōu)于反應(yīng)Ⅱ，原因是反應(yīng)Ⅰ符合“原子經(jīng)濟性”的原則即原子利用率為100%．
②對于反應(yīng)Ⅰ，下圖甲表示能量的變化；圖乙表示一定溫度下，在體積為2L的密閉容器中加入4mol H₂和一定量的CO后，CO和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化．在“圖甲”中，曲線b（填：“a”或“b”）表示使用了催化劑；該反應(yīng)屬于放熱（填：“吸熱”、“放熱”）反應(yīng)．在圖乙中從反應(yīng)開始到建立平衡，用H₂濃度變化表示的反應(yīng)速率0.15mol/L•min．
③對于反應(yīng)Ⅱ，在一定溫度時，將lmol CO₂ 和3mol H₂充入一密閉恒容容器中，充分反應(yīng)達到平衡后，若CO₂的轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的平衡壓強與起始壓強之比為1-$\frac{a}{2}$；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)量的是bd．
a．升高溫度                          b．增加CO₂的量
c．充入He，使體系總壓強增大         d．按原比例再充入CO₂和H₂．

Answer 1

分析 （1）化學(xué)平衡常數(shù)指在一定溫度下，可逆反應(yīng)達到平衡時，各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值，根據(jù)元素守恒，故另一反應(yīng)物為固體C，據(jù)此書寫方程式；
（2）①比較反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，從反應(yīng)物是否完全轉(zhuǎn)化比較二者的優(yōu)劣；
②根據(jù)圖象的變化趨勢判斷反應(yīng)進行的方向和影響因素，依據(jù)物質(zhì)能量變化分析反應(yīng)熱量變化；圖2分析計算一氧化碳的反應(yīng)速率，依據(jù)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算氫氣表示的反應(yīng)速率；依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算平衡濃度，依據(jù)平衡常數(shù)概念計算平衡常數(shù)；
③依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算，平衡氣體物質(zhì)的量和起始壓強之比等于氣體物質(zhì)的量之比計算得到；增加甲醇產(chǎn)率，應(yīng)使平衡正向進行．

解答 解：（1）平衡表達式為：K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，生成物為CO、H₂，反應(yīng)物含有H₂O，三者化學(xué)計量數(shù)分別為1、1、1，根據(jù)元素守恒，故另一反應(yīng)物為固體C，反應(yīng)中它所對應(yīng)反應(yīng)的化學(xué)方程式為：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），
故答案為：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；
（2）①反應(yīng)I中反應(yīng)物完全轉(zhuǎn)化，原子利用率為100%，符合“原子經(jīng)濟性”的原則，
故答案為：反應(yīng)Ⅰ符合“原子經(jīng)濟性”的原則即原子利用率為100%；
②分析圖1可知反應(yīng)能量變化b圖象是使用催化劑降低反應(yīng)的活化能，加快反應(yīng)速率；圖象分析反應(yīng)物能量高于生成物的能量，反應(yīng)是放熱反應(yīng)；圖2分析計算一氧化碳的反應(yīng)速率v（CO）=$\frac{1.0mol/L-0.25mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min，由反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比可知，氫氣表示的反應(yīng)速率為v（H₂）=2v（CO）=0.075mol/L•min×2=0.15mol/L•min，故答案為：b；放熱；0.15mol/L•min；
③對于反應(yīng)Ⅱ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），在一定溫度時，將1mol CO₂年和3mol H₂充入一密閉恒容容器中，充分反應(yīng)達到平衡后，若CO₂的轉(zhuǎn)化率為a，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）  1       3         0          0
變化量（mol）  a      3a         a          a
平衡量（mol） 1-a     3-3a       a          a
則容器內(nèi)的平衡壓強與起始壓強之比=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=1-$\frac{a}{2}$；
a．由①可知，該反應(yīng)放熱，升溫，平衡向逆反應(yīng)方向移動，甲醇產(chǎn)率減小，故錯誤；
b．增加CO₂的量，平衡向正反應(yīng)方向移動，甲醇產(chǎn)率增大，故正確；
c．充入He，使體系總壓強增大，各物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動，故錯誤
d．按原比例再充入CO₂和H₂，由等效平衡可知平衡正向移動，甲醇產(chǎn)率增大，故正確；
故答案為：1-$\frac{a}{2}$；bd．

點評 本題考查了化學(xué)平衡的分析應(yīng)用，化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)計算應(yīng)用，題目難度中等．