Question

研究CO₂的利用对促进低碳社会的构建具有重要的意义。

（1）在一定条件下将CO₂和H₂转化为甲醇蒸气和水蒸气的相关反应有：

CO₂(g)＋H₂(g) CO(g)＋H₂O(g)    △H₁＝＋41KJ/mol

CO(g)＋2 H₂(g)CH₃OH(g)      △H₂＝－90KJ/mol

则由甲醇蒸气和水蒸气转化为CO₂和H₂的热化学方程式为___________________。

（2）在一定温度下，向2L固定容积的密闭容器中通入2molCO₂、3molH₂，发生反应

CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)  △H₃<0．

测得CO₂(g)和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如图所示。

 

①能说明该反应已达平衡状态的是______________。

A．单位时间内有3nmolH—H键断裂，同时又有2nmolO—H键断裂

B．混合气体的平均相对分子质量不随时间变化

C．混合气体的密度不随时间变化

D．体系中n(CO₂)/n(H₂)＝1∶1，且保持不变

②下列措施能使n(CH₃OH)/n(CO₂)增大的是__________。

A．升高温度B．恒温恒容下，再充入2molCO₂、3molH₂

C．使用高效催化剂          D．恒温恒容充入He(g)使体系压强增大

③已知该温度下此反应的平衡常数K=0.198，若使K的值变为1，应采取的措施是___________。

A．升高温度    B．降低温度    C．增大压强    D．恒压加入一定量H₂

（3）捕捉CO₂可以利用Na₂CO₃溶液。用100mL0.1 mol/LNa₂CO₃溶液完全捕捉0.44gCO₂气体（溶液体积不变），所得溶液中c(HCO₃^－)＋c(CO₃^2－)＋c(H₂CO₃)＝__________mol/L

（4）用CO₂和天然气可以制备CO和H₂，CO₂(g)+CH₄(g) 2CO(g)+2H₂(g)。密闭容器中浓度均为0.1mol/L的CH₄与CO₂，在一定条件下反应，测得CH₄ 的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示，则压强P₁ ____P₂（填“>”或“<”）。若P₂=3MPa，则T°C时该反应的平衡常数Kp =_____MPa²（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。

Answer

CH3OH（g）＋H2O（g）CO2（g）＋3H2（g）△H＝+49 kJ/mol B D B B 0.2 < 4

【解析】(1)由已知反应①CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) △H1＝＋41KJ/mol，反应②的逆反应为反应③CH3OH(g) CO(g)＋2 H2(g) △H3＝+90KJ/mol，根据盖斯定律反应③-①即得CH3OH(g)+ H2O(g) CO2(g)＋3H2(g) △H＝+49 kJ/mol；

(2) ①由化学平衡CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)可知，A、单位时间内有3n mol H—H键断裂，即3n mol H2(g)参加了反应，表示的是正向速率；O—H键断裂表示逆向速率，但生成物中1mol CH3OH(g)中含有1molO—H键，1mol H2O(g)中含有2 molO—H键，所以应该是有3n molO—H键断裂，故A不正确；B、混合气体的总质量不变，总物质的量在改变，由M=m/n可知，当平均相对分子质量不随时间变化时，反应已达平衡状态，故B正确；C、混合气体的总质量不变，容器体积不变，由ρ=m/V可知，密度始终不变，因此当混合气体的密度不随时间变化时，不能说明反应已达平衡状态，故C错误；D、由于反应物起始量n(CO2)和n(H2)与系数不成比例，所以当n(CO2)/n(H2)＝1∶1且保持不变时，说明反应已达平衡状态，故D正确。故正确答案为BD。

②由于CO2(g)是反应物，CH3OH(g)是生成物，所以该平衡向正向移动才能使n(CH3OH)/n(CO2)增大，又知该反应是气体体积缩小的放热反应。则A、升高温度，该平衡向逆向移动，故A错误；B、恒温恒容下，再充入2mol CO2、3mol H2，相当于加压，则平衡正向移动，故B正确；C、使用催化剂只是加快了反应速率，但平衡不移动，故C错误；D、恒温恒容充入He(g)，尽管能使总压强增大，但反应体系的分压不变，即反应混合物的浓度都不变，所以平衡不移动，故D错误；因此正确答案为B。

③已知该反应是放热反应，且平衡常数K只随温度的变化而改变，要使平衡常数K值增大，则平衡正向移动，所以采取的措施就是降低温度，即正确答案为B。

(3)已知Na2CO3与CO2反应的方程式为Na2CO3＋CO2＋H2O2NaHCO3，n(Na2CO3)= 0.10 L×0.1 mol/L=0.01 mol，n(CO2)=，因此二者恰好完全反应生成0.02mol的NaHCO3，由于HCO3－既能水解生成H2CO3，又能电离生成CO32－，根据物料守恒可得，溶液中c(HCO3－)＋c(CO32－)＋c(H2CO3)＝0.02mol/0.1L=0.2 mol/L。

(4)由图象可知CH4 的平衡转化率随温度升高而增大，在压强为P1时CH4 的平衡转化率变化慢，而压强P2时，CH4 的平衡转化率变化快，且在相同温度下，由P2转化P1时，CH4 的平衡转化率增大，说明平衡正向移动，这是一个气体体积增大的反应，则减小压强，平衡正向移动，所以P1< P2；设容器的体积为1L，由图象可知，平衡时n(CH4)=n(CO2) =0.1mol/L×1L×(1-50%)=0.05 mol，n(H2)=n(CO)=0.1mol L×1L×50%×2=0.1 mol，所以p(CH4)= p(CO2)=P2× = 0.5 MPa，p(H2)= p(CO)=P2× = 1.0 MPa，所以Kp= = = 4 (Mpa)2。