Question

13．過度排放CO₂會造成“溫室效應”，為了減少煤燃燒對環境造成的污染，煤的氣化是高效、清潔利用煤炭的重要途徑．煤綜合利用的一種途徑如圖1所示．

（1）已知 ①C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₁=+131.3kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H₂=+90kJ•mol^-1
則一氧化碳與水蒸氣反應生成二氧化碳和氫氣的熱化學方程式是CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1．
（2）在壓強為0.1MPa條件下，容積為V L的密閉容器中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖2所示，則：
①p₁＜p₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在其他條件不變的情況下，向容器中再增加a mol CO與2a mol H₂，達到新平衡時，CO的平衡轉化率增大（填“增大”、“減小”或“不變”）．
③在p₁下，100℃時，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）反應的平衡常數為$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$（用含a、V的代數式表示）．
（3）如圖3表示CO₂與H₂反應生成CH₃OH和H₂O的過程中能量（單位為kJ•mol^-1）的變化：關于該反應的下列說法中，正確的是C（填編號）．

A．△H＞0，△S＞0              B．△H＞0，△S＜0
C．△H＜0，△S＜0              D．△H＜0，△S＞0
（4）為探究反應原理，現進行如下實驗，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下發生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），測得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化的曲線如圖4所示：
①從反應開始到平衡，CO₂的平均反應速率v（CO₂）=0.075mol/L•min．
②下列措施中能使化學平衡向正反應方向移動的是BD（填編號）．
A．升高溫度             B．將CH₃OH（g）及時液化移出
C．選擇高效催化劑       D．再充入1mol CO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₁=+131.3kJ•mol^-1  ①C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H₂=+90kJ•mol^-1  ②由蓋斯定律②-①求得，熱化學方程式；
（2）①根據定一議二原則，定溫度同，再比較壓強；
②在溫度和容積不變的情況下，再向平衡體系中充入a mol CO（g）、2a mol H₂（g），等效為在原平衡的基礎上增大一倍壓強，平衡向正反應移動；化學平衡常數只受溫度影響，與濃度無關，溫度不變，平衡常數不變；
③化學平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
（3）依據反應和圖象分析判斷：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），氣體的物質的量減少，反應是熵減少的反應△S＜0；反應物能量高于生成物的能量，判斷反應是放熱反應，△H＜0；
（4）二氧化碳是反應物隨反應進行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應進行濃度增大；10nim內達到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L；
①根據c=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO₂）；
②依據化學反應的影響因素和條件逐項分析判斷：
A、反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行；
B、將CH₃OH（g）及時液化抽出，減小生成物的量平衡正向進行；
C、選擇高效催化劑只能改變速率，不改變化學平衡；
D、再充入l molCO₂和3molH₂，增大壓強平衡正向進行．

解答 解：（1）C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₁=+131.3kJ•mol^-1     ①
     C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H₂=+90kJ•mol^-1     ②
由蓋斯定律②-①得：
      CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
故答案為：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1；
（2）①溫度相同時，作垂直x軸的輔助線，發現壓強為P₂的CO的轉化率高，該反應正反應為體積減小的反應，壓強增大平衡向體積減小的方向移動，即向正反應應移動，CO的轉化率增大，所以P₁＜P₂，故答案為：＜；
②在溫度和容積不變的情況下，再向平衡體系中充入a mol CO（g）、2a mol H₂（g），等效為在原平衡的基礎上增大一倍壓強，平衡向正反應移動，CO的轉化率增大；
故答案為：增大；
③在壓強為0.1MPa條件下，容積為V L的密閉容器中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應生成甲醇．即
         CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
初始濃度：$\frac{a}{V}$     $\frac{2a}{V}$         0
變化濃度：$\frac{a}{2V}$     $\frac{a}{V}$       $\frac{a}{2V}$
平衡濃度：$\frac{a}{2V}$     $\frac{a}{V}$       $\frac{a}{2V}$           
則K=$\frac{\frac{a}{2V}}{\frac{a}{2V}×（\frac{a}{V}）^{2}}$=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$；
故答案為：K=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$；
（3）依據反應和圖象分析判斷：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），氣體的物質的量減少，反應是熵減少的反應△S＜0；反應物能量高于生成物的能量，判斷反應是放熱反應，△H＜0，
故答案為：C；
（4）二氧化碳是反應物隨反應進行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應進行濃度增大；10nim內達到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L，則：
①二氧化碳的反應速率V（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min；
故答案為：0.075 mol•L^-1•min^-1    
②措施中能使化學平衡向正反應方向移動的是：
A、反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行；故A錯誤；
B、將CH₃OH（g）及時液化抽出，減小生成物的量，平衡正向進行，故B正確；
C、選擇高效催化劑只能改變速率，不改變化學平衡，故C錯誤；
D、再充入l molCO₂和4molH₂，增大壓強平衡正向進行，故D正確；
故選：BD．

點評 本題考查了反應的焓變判斷，熱化學方程式的書寫，化學平衡的影響因素，化學平衡的計算、化學平衡常數等，圖象分析是關鍵，難度中等．