Question

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

請回答下列問題：
（1）反應開始后的12小時內，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器，發生反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1．將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密閉容器，某溫度下反應5min后達到平衡，此時測得CO的物質的量為0.10mol，則5min內H₂的平均反應速率為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的量的CH₄和H₂O
（3）工業上可以利用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制取甲醇的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1．
②該反應的△S＜0（填“＞”或“＜”或“=”），在低溫情況下有利于該反應自發進行．
（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℃進行實驗，測得結果如圖2，則230℃時的實驗結果所對應的曲線是X（填字母）；理由是該反應是放熱反應，溫度越低轉化率越高．列式計算270℃時該反應的平衡常數K：1．

Answer 1

分析 （1）圖中三條曲線，b的斜率最大，所以反應速率最快；
（2）根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO），再利用速率之比等于化學計量數之比計算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，壓強增大，平衡逆向移動；
D．恒溫恒容下再充入等物質的量的CH₄和H₂O，等效為在原平衡的基礎上增大一倍壓強，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
根據蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），焓變為二者之差；
②正反應為氣體物質的量減小的反應，則為熵減的反應，△G=△H-T△S＜0反應自發進行；
（4）合成甲醇是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，則230℃時的實驗結果所對應的曲線是X，270℃對應的曲線是Z，加入氫氣為2mol時，CO轉化率為50%，計算平衡時各組分的物質的量，容器的體積為1L，用物質的量代替濃度代入平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算．

解答 解：（1）圖中三條曲線，b的斜率最大，所以反應速率最快，開始后的12小時內，收集到的甲烷最多，故答案為：b；
（2）5min內CO的平均化學反應速率v（CO）=$\frac{\frac{0.1mol}{2L}}{5min}$=0.01mol/（L•min），速率之比等于化學計量數之比，v（H₂）=3v（CO）=0.03mol/（L•min），
A．加熱升高溫度，化學平衡正向移動，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錯誤；
D．恒溫恒容下再充入等物質的量的CH₄和H₂O，等效為在原平衡的基礎上增大一倍壓強，與原平衡相比，平衡逆向移動，n（CO）：n（CH₄）減小，故D錯誤，
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正反應為氣體物質的量減小的反應，則為熵減的反應，△S＜0，正反應為放熱反應，則△H＜0，△G=△H-T△S＜0反應自發進行，低溫有利于反應自發進行，
故答案為：＜；低溫；
（4）合成甲醇是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，則230℃時的實驗結果所對應的曲線是X，270℃對應的曲線是Z，加入氫氣為2mol時，CO轉化率為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，用物質的量代替濃度計算，則平衡常數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；該反應是放熱反應，溫度越低轉化率越高；1．

點評 本題考查化學平衡計算及影響因素、平衡常數、速率計算、熱化學方程式書寫等，旨在考查學生對基礎知識的理解運用，難度中等．