Question

19．“低碳循環(huán)”引起各國的高度重視，而如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了全世界的普遍重視．所以“低碳經(jīng)濟(jì)”正成為科學(xué)家研究的主要課題．
（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
寫出CO₂與H₂反應(yīng)生成CH₄和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1．
（2）將燃煤廢氣中的CO₂轉(zhuǎn)化為二甲醚的反應(yīng)原理為：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）
已知一定條件下，該反應(yīng)中CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、投料比[n（H₂）/n（CO₂）]的變化曲線如圖1：

①在其他條件不變時，請在圖2中畫出平衡時CH₃OCH₃的體積分?jǐn)?shù)隨投料比[n（H₂）/n（CO₂）]變化的曲線圖．
②某溫度下，將2.0mol CO₂（g）和6.0mol H₂（g）充入容積為2L的密閉容器中，反應(yīng)到達(dá)平衡時，改變壓強(qiáng)和溫度，平衡體系中CH₃OCH₃（g）的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)變化情況如圖3示，關(guān)于溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系判斷正確的是BD．
A．P₃＞P₂，T₃＞T₂   B．P₁＞P₃，T₁＞T₃  C．P₂＞P₄，T₄＞T₂   D．P₁＞P₄，T₂＞T₃
（3）煤化工通常通過研究不同溫度下平衡常數(shù)以解決各種實(shí)際問題．已知等體積的CO和水蒸氣進(jìn)入反應(yīng)器時，會發(fā)生如下反應(yīng)：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應(yīng)平衡常數(shù)隨溫度的變化如表所示：

溫度/℃	400	500	800
平衡常數(shù)K	9.94	9	1

該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式為：$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；該反應(yīng)的正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”），若在500℃時進(jìn)行，設(shè)起始時CO和H₂O的濃度均為0.020mol•L^-1，在該條件下CO的平衡轉(zhuǎn)化率為75%．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算；
（2）①CH₃OCH₃的體積分?jǐn)?shù)隨投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的增大而增大，當(dāng)體積比是3的時候，甲醚的體積分?jǐn)?shù)最大，由極限法可知，投料比無限增大，雖然二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，但混合氣體總體積無限大，而二甲醚的體積無限接近二氧化碳的一半，二甲醚的體積分?jǐn)?shù)減��；
②由圖3可知，溫度一定時，平衡時二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：P₁＞P₂＞P₃＞P₄，而該反應(yīng)正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動，二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大；
由圖1可知，投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]一定時，溫度越高，平衡時二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越高，說明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，而壓強(qiáng)一定時，平衡時二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：T₁＜T₂＜T₃＜T₄；
（3）化學(xué)平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；
由表中數(shù)據(jù)可知，溫度越高，平衡常數(shù)越小，說明升高溫度平衡向，逆反應(yīng)方向移動；
設(shè)CO的濃度變化量為xmol/L，用三段式表示出平衡時各組分物質(zhì)的，再根據(jù)平衡常數(shù)列方程計算解答．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，③-①×2+②得：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-162 kJ•mol^-1；
（2）①CH₃OCH₃的體積分?jǐn)?shù)隨投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的增大而增大，當(dāng)體積比是3的時候，甲醚的體積分?jǐn)?shù)最大，由極限法可知，投料比無限增大，雖然二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，但混合氣體總體積無限大，而二甲醚的體積無限接近二氧化碳的一半，二甲醚的體積分?jǐn)?shù)減小，故二甲醚的體積分?jǐn)?shù)與投料比的關(guān)系為：，故答案為：；
②由圖3可知，溫度一定時，平衡時二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：P₁＞P₂＞P₃＞P₄，而該反應(yīng)正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動，二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大，故壓強(qiáng)：P₁＞P₂＞P₃＞P₄；
由圖1可知，投料比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]一定時，溫度越高，平衡時二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越高，說明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小，而壓強(qiáng)一定時，平衡時二甲醚的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)：T₁＜T₂＜T₃＜T₄，故溫度：T₁＞T₂＞T₃＞T₄，
故選：BD；
（3）反應(yīng)：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；
由表中數(shù)據(jù)可知，溫度越高，平衡常數(shù)越小，說明升高溫度平衡向，逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
設(shè)CO的濃度變化量為xmol/L，則：
             CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
開始（mol/L）：0.02   0.02     0       0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：x       x       x       x
平衡（mol/L）：0.02-x  0.02-x  x       x
則$\frac{x×x}{（0.02-x）×（0.02-x）}$=9，解得x=0.015，
故CO的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案為：$\frac{c（{H}_{2}）×（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；放熱；75%．

點(diǎn)評 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象及影響因素、化學(xué)平衡計算等，（2）中作圖為易錯點(diǎn)，注意利用極限法判斷二甲醚的體積分?jǐn)?shù)變化情況，注意平衡常數(shù)在化學(xué)計算中的應(yīng)用．