Question

13．过度排放CO₂会造成“温室效应”，为了减少煤燃烧对环境造成的污染，煤的气化是高效、清洁利用煤炭的重要途径．煤综合利用的一种途径如图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
则一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1．
（2）在压强为0.1MPa条件下，容积为V L的密闭容器中a mol CO与2a mol H₂在催化剂作用下反应生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图2所示，则：
①p₁＜p₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
②在其他条件不变的情况下，向容器中再增加a mol CO与2a mol H₂，达到新平衡时，CO的平衡转化率增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③在p₁下，100℃时，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）反应的平衡常数为$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$（用含a、V的代数式表示）．
（3）如图3表示CO₂与H₂反应生成CH₃OH和H₂O的过程中能量（单位为kJ•mol^-1）的变化：关于该反应的下列说法中，正确的是C（填编号）．

A．△H＞0，△S＞0              B．△H＞0，△S＜0
C．△H＜0，△S＜0              D．△H＜0，△S＞0
（4）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3mol H₂，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），测得CO₂（g）和CH₃OH（g）的浓度随时间变化的曲线如图4所示：
①从反应开始到平衡，CO₂的平均反应速率v（CO₂）=0.075mol/L•min．
②下列措施中能使化学平衡向正反应方向移动的是BD（填编号）．
A．升高温度             B．将CH₃OH（g）及时液化移出
C．选择高效催化剂       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由盖斯定律②-①求得，热化学方程式；
（2）①根据定一议二原则，定温度同，再比较压强；
②在温度和容积不变的情况下，再向平衡体系中充入a mol CO（g）、2a mol H₂（g），等效为在原平衡的基础上增大一倍压强，平衡向正反应移动；化学平衡常数只受温度影响，与浓度无关，温度不变，平衡常数不变；
③化学平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（3）依据反应和图象分析判断：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），气体的物质的量减少，反应是熵减少的反应△S＜0；反应物能量高于生成物的能量，判断反应是放热反应，△H＜0；
（4）二氧化碳是反应物随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大；10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L；
①根据c=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂）；
②依据化学反应的影响因素和条件逐项分析判断：
A、反应是放热反应，升温平衡逆向进行；
B、将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量平衡正向进行；
C、选择高效催化剂只能改变速率，不改变化学平衡；
D、再充入l molCO₂和3molH₂，增大压强平衡正向进行．

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
由盖斯定律②-①得：
      CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
故答案为：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1；
（2）①温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P₂的CO的转化率高，该反应正反应为体积减小的反应，压强增大平衡向体积减小的方向移动，即向正反应应移动，CO的转化率增大，所以P₁＜P₂，故答案为：＜；
②在温度和容积不变的情况下，再向平衡体系中充入a mol CO（g）、2a mol H₂（g），等效为在原平衡的基础上增大一倍压强，平衡向正反应移动，CO的转化率增大；
故答案为：增大；
③在压强为0.1MPa条件下，容积为V L的密闭容器中a mol CO与2a mol H₂在催化剂作用下反应生成甲醇．即
         CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
初始浓度：$\frac{a}{V}$     $\frac{2a}{V}$         0
变化浓度：$\frac{a}{2V}$     $\frac{a}{V}$       $\frac{a}{2V}$
平衡浓度：$\frac{a}{2V}$     $\frac{a}{V}$       $\frac{a}{2V}$           
则K=$\frac{\frac{a}{2V}}{\frac{a}{2V}×（\frac{a}{V}）^{2}}$=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$；
故答案为：K=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$；
（3）依据反应和图象分析判断：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），气体的物质的量减少，反应是熵减少的反应△S＜0；反应物能量高于生成物的能量，判断反应是放热反应，△H＜0，
故答案为：C；
（4）二氧化碳是反应物随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大；10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L，则：
①二氧化碳的反应速率V（CO₂）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min；
故答案为：0.075 mol•L^-1•min^-1    
②措施中能使化学平衡向正反应方向移动的是：
A、反应是放热反应，升温平衡逆向进行；故A错误；
B、将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量，平衡正向进行，故B正确；
C、选择高效催化剂只能改变速率，不改变化学平衡，故C错误；
D、再充入l molCO₂和4molH₂，增大压强平衡正向进行，故D正确；
故选：BD．

点评 本题考查了反应的焓变判断，热化学方程式的书写，化学平衡的影响因素，化学平衡的计算、化学平衡常数等，图象分析是关键，难度中等．