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1molCO₂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）=______mol/（L?min）．
②下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是______．
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1molCO₂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0.20molCH₄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______（填“增大”、“减小”或“不变”），平衡向______方向移动．
（2）反应①的△H₁______0（填“＜”、“=”或“＞”），其平衡常数表达式为K=______，压强为P₁，100℃时的平衡常数值是______．

Answer 1

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1molCO₂和3molH₂，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．