Question

6．CO₂作為未來碳源，既可彌補(bǔ)因石油、天然氣等大量消耗引起的“碳源危機(jī)”，又可有效地解決溫室效應(yīng)．目前，人們利用光能和催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂．某研究小組選用不同的催化劑（a，b，c），獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，

請回答下列問題：
（1）反應(yīng)開始后的12小時(shí)內(nèi)，在b（填a、b、c）的作用下，收集CH₄的最多．
（2）將所得CH₄與H₂O（g）通入聚焦太陽能反應(yīng)器，發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1．將等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密閉容器，某溫度下反應(yīng)5min后達(dá)到平衡，此時(shí)測得CO的物質(zhì)的量為0.10mol，則5min內(nèi)H₂的平均反應(yīng)速率為0.03mol/（L•min）．平衡后可以采取下列AB的措施能使n（CO）：n（CH₄）增大．
A．加熱升高溫度
B．恒溫恒壓下充入氦氣
C．恒溫下縮小容器體積
D．恒溫恒容下再充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O
（3）工業(yè)上可以利用CO為原料制取CH₃OH．
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
①試寫出由CO和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1．
②該反應(yīng)的△S＜0（填“＞”或“＜”或“=”），在低溫情況下有利于該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行．
（4）某科研人員為研究H₂和CO合成CH₃OH的最佳起始組成比n（H₂）：n（CO），在l L恒容密閉容器中通入H₂與CO的混合氣（CO的投入量均為1mol），分別在230℃、250℃和270℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得結(jié)果如圖2，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X（填字母）；理由是該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越高．列式計(jì)算270℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K：1．

Answer 1

分析 （1）圖中三條曲線，b的斜率最大，所以反應(yīng)速率最快；
（2）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO），再利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；
A．加熱升高溫度，平衡逆向移動；
B．恒溫恒壓下充入氦氣，容器容積增大，平衡正向移動；
C．恒溫下縮小容器體積，壓強(qiáng)增大，平衡逆向移動；
D．恒溫恒容下再充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O，等效為在原平衡的基礎(chǔ)上增大一倍壓強(qiáng)，與原平衡相比，平衡逆向移動；
（3）①已知：Ⅰ．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
Ⅱ．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），焓變?yōu)槎�者之差�?br />②正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，則為熵減的反應(yīng)，△G=△H-T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；
（4）合成甲醇是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減小，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X，270℃對應(yīng)的曲線是Z，加入氫氣為2mol時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為50%，計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，容器的體積為1L，用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計(jì)算．

解答 解：（1）圖中三條曲線，b的斜率最大，所以反應(yīng)速率最快，開始后的12小時(shí)內(nèi)，收集到的甲烷最多，故答案為：b；
（2）5min內(nèi)CO的平均化學(xué)反應(yīng)速率v（CO）=$\frac{\frac{0.1mol}{2L}}{5min}$=0.01mol/（L•min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，v（H₂）=3v（CO）=0.03mol/（L•min），
A．加熱升高溫度，化學(xué)平衡正向移動，n（CO）增大、n（CH₄）減小，二者之比增大，故A正確；
B．恒溫恒壓下充入氦氣，容器容積增大，平衡正向移動，n（CO）增大、n（CH₄）減小，二者之比增大，故B正確；
C．恒溫下縮小容器體積，壓強(qiáng)增大，平衡逆向移動，n（CO）減小、n（CH₄）增大，二者之比減小，故C錯(cuò)誤；
D．恒溫恒容下再充入等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O，等效為在原平衡的基礎(chǔ)上增大一倍壓強(qiáng)，與原平衡相比，平衡逆向移動，n（CO）：n（CH₄）減小，故D錯(cuò)誤，
故答案為：0.03mol/（L•min）；AB；
（3）①已知：Ⅰ．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
Ⅱ．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1；
②正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，則為熵減的反應(yīng)，△S＜0，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則△H＜0，△G=△H-T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，低溫有利于反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：＜；低溫；
（4）合成甲醇是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減小，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X，270℃對應(yīng)的曲線是Z，加入氫氣為2mol時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為50%，則：
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1     2          0
變化量（mol）：0.5   1           0.5
平衡量（mol）：0.5   1          0.5
容器的體積為1L，用物質(zhì)的量代替濃度計(jì)算，則平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$=1，
故答案為：X；該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越高；1．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算及影響因素、平衡常數(shù)、速率計(jì)算、熱化學(xué)方程式書寫等，旨在考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解運(yùn)用，難度中等．