Question

工业上以煤和水为原料通过一系列转化可变为清洁能源氢气或工业原料甲醇。

（1）已知①C(s)+O₂(g)=CO₂(g)     ΔH₁

②2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O (l)   ΔH₂

③H₂O (l)= H₂O (g)       ΔH₃

则碳与水蒸气反应C(s)+2H₂O(g)CO₂(g)+2H₂(g)的ΔH =________。

（2）工业上也可以仅利用上述反应得到的CO₂和H₂进一步合成甲醇，反应方程式为：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g）ΔH＜0

①工业生产过程中CO₂和H₂的转化率________（填“前者大”、“后者大”、“一样大”或“无法判断”），为了提高甲醇的产率可以采取的措施是_______________（填两点）。

②在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO₂和3 mol H₂进行上述反应。测得CO₂和CH₃OH(g)浓度随时间变化如下图所示。该温度下的平衡常数为______（保留三位有效数字）。

改变温度，使反应CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)中的所有物质都为气态。起始温度体积相同（T₁℃、2 L密闭容器）．反应过程中部分数据见下表：

	反应时间	CO2（mol）	H2（mol）	CH3OH（mol）	H2O（mol）
反应Ⅰ 恒温恒容	0min	2	6	0	0
10min		4.5
20min	1
30min			1
反应Ⅱ 绝热恒容	0min	0	0	2	2

①达到平衡时，反应Ⅰ、Ⅱ对比：平衡常数K(Ⅰ)___K(Ⅱ)（填“＞”、“＜”或“=”，下同）；平衡时CH₃OH的浓度c(Ⅰ)___c(Ⅱ)。

②对反应Ⅰ，前10 min内的平均反应速率υ(CH₃OH)=______，若30 min时只向容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，则平衡_____移动（填“正向”、“逆向”或“不”）。

Answer

ΔH1―ΔH2―2ΔH3后者大降低温度、增大压强（其他合理答案给分）5.33<<0.025 mol∕（L·min）不

【解析】(1)①C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH1，②2H2(g)+O2(g)=2H2O (l) ΔH2，③H2O (l)= H2O (g) ΔH3，根据盖斯定律，将①-②-③×2得：C(s)+2H2O(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH =ΔH1―ΔH2―2ΔH3，故答案为：ΔH1―ΔH2―2ΔH3；

(2)①C(s)+2H2O(g)CO2(g)+2H2(g)△H＞0生成二氧化碳和氢气的物质的量之比为1：2，而CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H＜0，二氧化碳和氢气物质的量之比为1：3，相对与增大二氧化碳浓度，所以氢气的转化率大于二氧化碳转化率；CO2(g)+3H2(g)═ CH3OH(g)+H2O(g) △H＜0为气体体积减小的、放热反应，要想提高甲醇的产率可以采取的措施是降低温度、增大压强使平衡向正向移动；故答案为：后者大；降低温度、增大压强；

②ⅰ平衡时甲醇为0.75mol/L、二氧化碳为0.25mol/L，则：

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始浓度(mol/L)：1        3           0        0

变化浓度(mol/L)：0.75    2.25        0.75    0.75

平衡浓度(mol/L)：0.50    0.75        0.75    0.75

则平衡常数K= = ==5.33；故答案为：5.33；

①根据数据，反应Ⅰ和反应Ⅱ的起始状态等效。CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＜0，反应Ⅰ在恒温恒容下进行，反应Ⅱ在绝热恒容下进行，随着反应的进行，容器中气体的温度降低，相对于反应Ⅰ而言，平衡正向移动，平衡常数增大，平衡时CH3OH的浓度增大，故答案为：＜；＜；

②对反应Ⅰ，前10 min内的平均反应速率υ(H2)= ===0.075 mol/(L·min)，则υ(CH3OH)=×υ(H2)= 0.025 mol∕(L·min)，根据表格数据，20min时，CH3OH的物质的量与30min时相等，均为1mol，达到平衡状态，

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始(mol∕L) 1 3 0 0

平衡 0.5 1.5 0.5 0.5

30 min再充气 1 1.5 0.5 1

则K===Qc==，平衡不移动，故答案为：0.025 mol∕(L·min)；不。

点睛：本题为综合题，涉及反应热的计算、化学平衡平衡移动影响因素、化学平衡常数计算，题目难度较大，解题关键需掌握化学平衡理论，注意三段式的应用。本题的易错点是反应Ⅱ的反应条件，注意是绝热恒容，随着反应的进行，容器中气体的温度在不断变化，因此与反应Ⅰ不是等效平衡。