Question

合成氨工业涉及固体燃料的气化，需要研究CO₂与CO之间的转化。为了弄清其规律，让一定量的CO₂与足量碳在体积可变的密闭容器中反应：C(s)＋CO₂(g)2CO(g) ∆H，测得压强、温度对CO、CO₂的平衡组成的影响如图所示：

回答下列问题：

（1）p₁、p₂、p₃的大小关系是______________，欲提高C与CO₂反应中CO₂的平衡转化率，应采取的措施为   。图中a、b、c三点对应的平衡常数大小关系是____________。

（2）900 ℃、1.013 MPa时，1 mol CO₂与足量碳反应达平衡后容器的体积为V，CO₂的转化率为_________，该反应的平衡常数K＝             。

（3）将(2)中平衡体系温度降至640 ℃，压强降至0.1013 MPa，重新达到平衡后CO₂的体积分数为50%。条件改变时，正反应和逆反应速率如何变化？____________，二者之间有何关系？___________。

（4）一定条件下，在CO₂与足量碳反应所得平衡体系中加入H₂和适当催化剂，有下列反应发生：

CO(g)＋3H₂(g)CH₄(g)＋H₂O(g)  ∆H₁＝-206.2 kJ/mol

CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)  ∆H₂＝-41.2 kJ/mol

① 则二氧化碳与氢气反应转化为甲烷和水蒸气的热化学方程式是_________________。

② 已知298 K时相关化学键键能数据为：

化学键	H—H	O—H	C—H
E/(kJ·mol^-1)	436	465	413	1076

则根据键能计算，∆H₁＝       ，它与上述实测值差异较大的原因可能是            。

Answer

（1）p1＜p2＜p3 升高温度、降低压强 Ka＝Kb＜Kc（1分）

（2）66.7%（2分）

（或用Kp计算：＝3.2×1.013 MPa＝3.2416 MPa）（2分）

（3）正反应和逆反应速率均减小（1分）v(正)＜v(逆)（1分）

（4）① CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ∆H＝-165.0 kJ/mol（2分）

② -198 kJ/mol（2分）反应温度、压强不同，键能数据不准确（1分）

【解析】

试题分析：（1）正反应是体积增大的可逆反应，增大压强CO的含量降低。根据图像可知在温度相等时p1对应的CO含量最高，则p1、p2、p3的大小关系是p1＜p2＜p3。升高温度CO含量升高，说明正反应是吸热反应，所以欲提高C与CO2反应中CO2的平衡转化率，应采取的措施为升高温度、降低压强。平衡常数只与温度有关系，升高温度平衡右移，平衡常数增大，则图中a、b、c三点对应的平衡常数大小关系是Ka＝Kb＜Kc。

（2）900 ℃、1.013 MPa时CO的含量是80%，则

C(s)＋CO2(g)2CO(g)

起始量（mol） 1 0

转化量（mol） x 2x

平衡量（mol） 1－x 2x

因此

解得x＝2/3

则CO2的转化率为66.7%

反应的平衡常数K＝=。

（3）降低温度正反应和逆反应速率均减小，正反应吸热，平衡向逆反应方向进行，则v(正)＜v(逆)。

（4）①已知：I、CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g) ∆H1＝-206.2 kJ/mol

Ⅱ、CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ∆H2＝-41.2 kJ/mol

则根据盖斯定律可知I－Ⅱ即得到二氧化碳与氢气反应转化为甲烷和水蒸气的热化学方程式是CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g) ∆H＝-165.0 kJ/mol。

② 反应热等于断键吸收的能量和形成化学键所放出的能量的差值，则∆H1＝（1076＋3×436－4×413－2×465）kJ/mol＝-198 kJ/mol。它与上述实测值差异较大的原因可能是反应温度、压强不同，键能数据不准确等。

考点：考查平衡状态的有关计算、外界条件对平衡状态的影响以及反应热计算等