Question

9．工業(yè)上以煤和水為原料通過一系列轉化可變?yōu)榍鍧嵞茉礆錃饣蚬�業(yè)原料甲醇．
（1）已知①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
則碳與水蒸氣反應C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂（g）+2H₂（g）的△H=△H₁-△H₂-2△H₃．
（2）工業(yè)上也可以僅利用上述反應得到的CO₂和H₂進一步合成甲醇，反應方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0
①工業(yè)生產過程中CO₂和H₂的轉化率后者大（填“前者大”、“后者大”、“一樣大”或“無法判斷”），為了提高甲醇的產率可以采取的措施是降低溫度、增大壓強（填兩點）．
②在一恒溫恒容密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）濃度隨時間變化如圖所示．該溫度下的平衡常數為5.33（保留三位有效數字）．                
（3）改變溫度，使反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中的所有物質都為氣態(tài)．起始溫度體積相同（T₁℃、2L密閉容器）．反應過程中部分數據見表：

	反應時間	CO2（mol）	H2（mol）	CH3OH（mol）	H2O（mol）
反應Ⅰ 恒溫恒容	0min	2	6	0	0
	10min		4.5
	20min	1
	30min			1
反應Ⅱ 絕熱恒容	0min	0	0	2	2

①達到平衡時，反應Ⅰ、Ⅱ對比：平衡常數K（Ⅰ）＜K（Ⅱ）（填“＞”、“＜”或“=”，下同）；平衡時CH₃OH的濃度c（Ⅰ）＜c（Ⅱ）．
②對反應Ⅰ，前10min內的平均反應速率υ（CH₃OH）=0.025mol•L^-1•min^-1，若30min時只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），則平衡不移動（填“正向”、“逆向”或“不”）．

Answer 1

分析 （1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
結合蓋斯定律計算，①-②-2×③得到碳與水蒸氣反應的熱化學方程式；
（2）①可逆反應中增大一種反應物濃度可以提高另一種反應物轉化率；
依據CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0為氣體體積減小的、放熱反應特點結合影響化學平衡移動的因素解答；
②計算平衡時氫氣、水的濃度，再根據K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算平衡常數；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，反應Ⅰ是恒溫恒容容器，Ⅱ為恒容絕熱，反應是放熱反應，圖表中反應ⅠⅡ若恒溫恒容達到相同平衡狀態(tài)，Ⅱ為逆向恒容絕熱，溫度降低，平衡正向進行，平衡常數增大，甲醇濃度增大；
②反應速率V=$\frac{△c}{△t}$計算得到氫氣反應速率，速率之比等于化學方程式計量數之比計算甲醇反應速率；依據平衡三段式列式計算分析平衡狀態(tài)的物質的量得到平衡濃度，計算此時平衡常數，若30min時只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），計算此時濃度商和平衡常數比較判斷反應進行方向．

解答 解：（1）①C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H₂
③H₂O （l）=H₂O （g）△H₃
結合蓋斯定律計算，①-②-2×③得到碳與水蒸氣反應的熱化學方程式為：C（s）+2H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂（g）+2H₂（g）的△H=△H₁-△H₂-2△H₃，
故答案為：△H₁-△H₂-2△H₃；
（2）①C（s）+2H₂O（g）?CO₂（g）+2H₂（g）△H＞0生成二氧化碳和氫氣的物質的量之比為1：2，而CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，二氧化碳和氫氣物質的量之比為1：3，相對與增大二氧化碳濃度，所以氫氣的轉化率大于二氧化碳轉化率；
CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0為氣體體積減小的、放熱反應，要想提高甲醇的產率可以采取的措施是降低溫度、增大壓強使平衡向正向移動；
故答案為：后者大；降低溫度、增大壓強；
②平衡時甲醇為0.75mol/L、二氧化碳為0.25mol/L，則：
                              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始濃度（mol/L）：1               3                  0                0
變化濃度（mol/L）：0.75        2.25               0.75           0.75
平衡濃度（mol/L）：0.50         0.75             0.75               0.75
則平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{2}}$=$\frac{16}{3}$=5.33，
故答案為：5.33；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，反應Ⅰ是恒溫恒容容器，Ⅱ為恒容絕熱，反應是放熱反應，圖表中反應ⅠⅡ若恒溫恒容達到相同平衡狀態(tài)，Ⅱ為逆向恒容絕熱，溫度降低，平衡正向進行，平衡常數增大，甲醇濃度增大；
故答案為：＜；＜；
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    1              3                   0                0
變化量（mol/L）   0.5           1.5                 0.5                0.5
30min量（mol/L） 0.5            1.5                 0.5             0.5
對反應I，前10min內的平均反應速率v（CH₃OH）=$\frac{1}{3}$V（H₂）=$\frac{1}{3}$×（6-4.5）mol2L10min=0.025mol•L^-1•min^-1；
平衡常數K=$\frac{0.5×0.5}{0.5×1．{5}^{3}}$=$\frac{0.5}{1．{5}^{3}}$，
若30min時只向容器中再充入1mol CO₂（g）和1mol H₂O（g），
                              CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
3 0min量（mol/L） 0.5             1.5                0.5               0.5
               （mol/L）  1              1.5               0.5                 1
濃度商Q=$\frac{1×0.5}{1×1．{5}^{3}}$=$\frac{0.5}{1．{5}^{3}}$=K，
所以平衡不移動；
故答案為：0.025mol•L^-1•min^-1 ；不．

點評 本題為綜合題，涉及反應熱的計算、化學平衡平衡移動影響因素、化學平衡常數計算，題目難度中等，解題關鍵需掌握化學平衡理論，注意三段式的應用．