Question

18．研究CO₂的利用對促進低碳社會的構(gòu)建具有重要的意義．
（1）已知石墨的標準燃燒熱為y kJ•mol^-1，1.2g石墨在1.68L（標準狀況）氧氣中燃燒，至反應物耗盡，放出x kJ熱量，則石墨與氧氣反應生成CO的熱化學方程式為C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-（20x-y）kJ•mol^-1．

（2）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①該反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{C（CH{\;}_{3}OH）C（H{\;}_{2}O）}{C（CO{\;}_{2}）C{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$．
②取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的量之比均為1：3），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數(shù)φ（CH₃OH）與反應溫度T的關(guān)系曲線如圖1所示，則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇反應的△H＜（填“＞”“＜”或“=”）0．
③在兩種不同溫度下發(fā)生反應，測得CH₃OH的物質(zhì)的量隨時間變化如圖2所示，曲線I、Ⅱ?qū)�應的平衡常�?shù)大小關(guān)系為K_Ⅰ＞K_Ⅱ（填“＞”“＜”或“=”）．
④一定溫度下，在容積相同且固定的兩個密閉容器中，按如下方式投入反應物，一段時間后達到平衡．

容  器	甲	乙
反應物投入量	1molCO2 3molH2	a molCO2、b molH2、c molCH3OH（g）、c molH2O（g） （a、b、c均不等于0）

若甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分數(shù)相等，且起始時維持反應逆向進行，則c的取值范圍為0.4＜n（c）≤1mol．

Answer 1

分析 （1）1.2g石墨的物質(zhì)的量為n（C）=$\frac{1.2g}{12g/mol}$=0.1mol，1.68L氧氣的物質(zhì)的量為n（O₂）=$\frac{1.68L}{22.4L/mol}$=0.075mol，生成物為CO和CO₂的混合物，設生成CO的物質(zhì)的量為nmol，由C元素守恒得CO₂的物質(zhì)的量為（0.1-n）mol，根據(jù)關(guān)系式nC～n$\frac{1}{2}$O₂～nCO，（0.1-n）O₂～（0.1-n）CO₂，則$\frac{1}{2}$n+（0.1-n）=0.075，n=0.05，所以反應后生成0.05molCO，0.05molCO₂，根據(jù)反應放出的總熱量x kJ和1mol石墨完全燃燒放出y kJ（y＞0）的熱量，可計算出生成0.05molCO放出的熱量，進而求出反應的熱化學方程式．
（2）①根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，
②根據(jù)到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行；
③根據(jù)先拐先平數(shù)值大原則，由圖1可知，溫度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡時，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動，據(jù)此判斷反應熱，K_Ⅰ與K_Ⅱ關(guān)系；
④根據(jù)平衡三部曲求出甲中平衡時各氣體的物質(zhì)的量，然后根據(jù)平衡后乙與甲中相同組分的體積分數(shù)相等，且起始時維持反應逆向進行來判斷范圍．

解答 解：（1）1.2g石墨的物質(zhì)的量為n（C）=$\frac{1.2g}{12g/mol}$=0.1mol，1.68L氧氣的物質(zhì)的量為n（O₂）=$\frac{1.68L}{22.4L/mol}$=0.075mol，生成物為CO和CO₂的混合物，設生成CO的物質(zhì)的量為nmol，由C元素守恒得CO₂的物質(zhì)的量為（0.1-n）mol，根據(jù)關(guān)系式nC～n$\frac{1}{2}$O₂～nCO，（0.1-n）O₂～（0.1-n）CO₂，則$\frac{1}{2}$n+（0.1-n）=0.075，n=0.05，所以反應后生成0.05molCO，0.05molCO₂，1mol石墨完全燃燒放出ykJ（y＞0）的熱量，所以生成0.05molCO₂放出的熱量為0.05yKJ，1.2g石墨在1.68L（標準狀況）氧氣中燃燒，至反應物耗盡，放出x kJ熱量．則生成0.05molCO放出的熱量為（x-0.05y）kJ，所以生成1molCO放出的熱量為$\frac{x-0.05y}{0.05}$kJ，即（20x-y）kJ，所以熱化學方程式為：C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-（20x-y）kJ•mol^-1，
故答案為：C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO（g）△H=-（20x-y）kJ•mol^-1；
（2）①平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，所以K=$\frac{C（CH{\;}_{3}OH）C（H{\;}_{2}O）}{C（CO{\;}_{2}）C{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$，故答案為：$\frac{C（CH{\;}_{3}OH）C（H{\;}_{2}O）}{C（CO{\;}_{2}）C{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；
②由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H＜0．故答案為：＜；
③由圖2先拐先平衡溫度高可知，溫度T_Ⅰ＜T_Ⅱ，平衡時，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動，故該反應正反應為放熱反應，則△H＜0，升高溫度，平衡向逆反應移動，所以K_Ⅰ＞K_Ⅱ，故答案為：＞；
④CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始：1         3                    0                0
平衡：1-x    3-3x                  x                x
甲中平衡后氣體的壓強為開始時的0.8倍，即$\frac{4-2x}{4}$=0.8
解得x=0.4mol
依題意：甲、乙為等同平衡，且起始時維持反應逆向進行，所以全部由生成物投料，c的物質(zhì)的量為1mol，c 的物質(zhì)的量不能低于平衡時的物質(zhì)的量0.4mol，所以c的物質(zhì)的量為：0.4＜n（c）≤1mol，故答案為：0.4＜n（c）≤1mol．

點評 本題考查涉及知識點較多，涉及平衡常數(shù)的計算、平衡狀態(tài)的判斷以及外界條件對平衡移動的影響等問題，題目難度中等，本題注意把握計算方法以及平衡常數(shù)的運用．