Question

二氧化碳碳捕获与封存技术（CCS）可以减少化石燃料燃烧以及其他工业用途的二氧化碳排放量，从而有助于减少温室气体的排放．该技术引起了各国的普遍重视．
Ⅰ．目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3molH₂，一定条件下发生反应：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图1所示．

①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=

0.225

mol/（L?min）．
②下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是

CD

．
A．升高温度                    B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离       D．再充入1mol CO₂和3molH₂．
Ⅱ．工业上也可以通过下列反应①和②，用CH₄和H₂O为原料来制备甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H1；②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
将0.20mol CH₄和0.30molH₂O（g）通入容积为10L的密闭容器中，在一定条件下发生反应①，达到平衡时，CH₄的转化率与温度、压强的关系如图2．
（1）温度不变，缩小体积，增大压强，①的反应速率

增大

 （填“增大”、“减小”或“不变”），平衡向

逆反应

方向移动．
（2）反应①的△H₁

＞

 0（填“＜”、“=”或“＞”），其平衡常数表达式为K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

，压强为P₁，100℃时的平衡常数值是

1.35×10^-3

．

Answer 1

分析：Ⅰ．①根据v=

△c

△t

计算v（CH₃OH），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
②使n（CH₃OH）/n（CO₂）应采取措施，使平衡向正反应移动，注意不能只增大二氧化碳或降低甲醇的量；
Ⅱ．（1）温度不变，增大压强，反应速率增大，平衡向气体体积减小的方向移动；
（2）由图可知，反应①温度越高甲烷的转化率越大，说明升高温度平衡向正反应方向移动；
化学平衡常数，指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值，据此书写；
由图可知，100℃到达平衡时甲烷的转化率为0.5，据此计算甲烷的浓度变化量，根据三段式计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数表达式计算．

解答：解：Ⅰ．①由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，故v（CH₃OH）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，故v（H₂）=3v（CH₃OH）=0.075mol/（L．min）×3=0.225mol/（L．mon），
故答案为：0.225；
②使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应采取措施，使平衡向正反应移动，但不能只增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故A错误，
B．充入He（g），使体系压强增大，容器的容积不变，反应混合物的浓度不变，平衡不移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）不变，故B错误，
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正确，
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效为增大压强，平衡向正反应移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正确；
故答案为：CD；
Ⅱ．（1）温度不变，增大压强，反应速率增大，正反应为气体体积增大的反应，平衡向逆反应方向移动，
故答案为：增大；逆反应；
（2）由图可知，反应①温度越高甲烷的转化率越大，说明升高温度平衡向正反应方向移动，故正反应为吸热反应，即△H₁＞0；
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数k=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；
甲烷的起始浓度=

0.2mol

10L

=0.02mol/L，水蒸气起始浓度=

0.3mol

10L

=0.03mol/L，由图可知，100℃到达平衡时甲烷的转化率为0.5，故甲烷的浓度变化量为0.01mol/L，则：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）：0.02    0.03     0       0
变化（mol/L）：0.01    0.01     0.01    0.03
平衡（mol/L）：0.01    0.02     0.01    0.03
故100℃时该反应平衡常数k=

0.01×0.033

0.01×0.02

=1.35×10^-3，
故答案为：＞；

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；1.35×10^-3．

点评：本题考查化学反应速率计算、化学平衡影响因素、化学平衡常数及其计算等，难度中等，注意基础知识理解掌握，注意掌握三段式解题法．