Question

2．以天然氣為原料合成甲醇常見的方法有水煤氣法和目前正在開發的直接氧化法．
（1）有關熱化學方程式如下：
水煤氣法：CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂O（g）△H₁=-35.4KJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1KJ•mol^-1 
直接氧化法：
2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃=-251KJ•mol^-1．
（2）工業廢氣二氧化碳催化加氫也可合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H．在密閉容器中投入1molCO₂和2.75molH₂，在不同條件下發生反應，實驗測得平衡時甲醇的物質的量隨溫度、壓強的變化如圖所示．
①二氧化碳合成甲醇正反應的△H＜（填“＞”“＜”或“=”，下同）0．
②M、N兩點時化學反應速率：v（M）＜v（N）．
③為提高CO₂的轉化率除可改變溫度和壓強外，還可采取的措施是增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值．
④圖中M點時，容器體積為10L，則N點對應的平衡常數K=1.04（填數值，保留2位小數）．
（3）一定條件下，向容積不變的某密閉容器中加入amolCO₂和bmolH₂發生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），欲使整個反應過程中CO₂的體積分數為恒定值，則a與b的關系是a=b．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律，（①+②）×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），反應熱也進行相應計算；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量增大，故壓強P₁＞P₂，壓強越大，反應速率越快；
③在可逆反應中，增加一種反應物濃度可以提高另一反應物的轉化率；
④圖中M、N點溫度相同，平衡常數相同，M點時，容器體積為10L，平衡時CH₃OH的物質的量為0.25mol，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.1     0.275       0       0
變化（mol/L）：0.025    0.075      0.025   0.025
平衡（mol/L）：0.075    0.2        0.025    0.025
根據K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
（3）設轉化的二氧化碳的物質的量為x，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：a        b         0        0
轉化（mol）：x        3x        x        x
平衡（mol）：a-x      b-3x      x        x
則CO₂的體積分數為$\frac{a-x}{a+b-2x}$，據此判斷．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
根據蓋斯定律，（①+②）×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），故△H₃=2△H₁+2△H₂=2×（-35.4kJ•mol^-1-90.1kJ•mol^-1）=-251kJ•mol^-1，
故答案為：-251；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，故△H＜0，
故答案為：＜；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量增大，故壓強P₁＞P₂，壓強增大，反應速率也增大，所以v（N）＜v（M），
故答案為：＜；
③在可逆反應中，增加一種反應物濃度可以提高另一反應物的轉化率，所以為提高CO₂的轉化率除可改變溫度和壓強外，還可采取的措施是增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值，
故答案為：增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值；
④圖中M、N點溫度相同，平衡常數相同，M點時，容器體積為10L，平衡時CH₃OH的物質的量為0.25mol，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.1     0.275     0          0
變化（mol/L）：0.025   0.075     0.025      0.025
平衡（mol/L）：0.075   0.2       0.025      0.025
故平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0.075×0．{2}^{3}}$=1.04，
故答案為：1.04；
（3）設轉化的二氧化碳的物質的量為x，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：a       b         0        0
轉化（mol）：x       3x        x        x
平衡（mol）：a-x     b-3x      x        x
則CO₂的體積分數為$\frac{a-x}{a+b-2x}$，要使$\frac{a-x}{a+b-2x}$為恒定的值，則a=b，
故答案為：a=b．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、化學平衡常數、反應熱計算等，是對學生綜合能力的考查，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．