Question

二氧化碳碳捕獲與封存技術(shù)（CCS）可以減少化石燃料燃燒以及其他工業(yè)用途的二氧化碳排放量，從而有助于減少溫室氣體的排放．該技術(shù)引起了各國的普遍重視．
Ⅰ．目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇．為探究反應原理，現(xiàn)進行如下實驗，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3molH₂，一定條件下發(fā)生反應：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖1所示．

①從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=

0.225

mol/（L?min）．
②下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是

CD

．
A．升高溫度                    B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離       D．再充入1mol CO₂和3molH₂．
Ⅱ．工業(yè)上也可以通過下列反應①和②，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H1；②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
將0.20mol CH₄和0.30molH₂O（g）通入容積為10L的密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應①，達到平衡時，CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖2．
（1）溫度不變，縮小體積，增大壓強，①的反應速率

增大

 （填“增大”、“減小”或“不變”），平衡向

逆反應

方向移動．
（2）反應①的△H₁

＞

 0（填“＜”、“=”或“＞”），其平衡常數(shù)表達式為K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

，壓強為P₁，100℃時的平衡常數(shù)值是

1.35×10^-3

．

Answer 1

分析：Ⅰ．①根據(jù)v=

△c

△t

計算v（CH₃OH），再根據(jù)速率之比等于化學計量數(shù)之比計算v（H₂）；
②使n（CH₃OH）/n（CO₂）應采取措施，使平衡向正反應移動，注意不能只增大二氧化碳或降低甲醇的量；
Ⅱ．（1）溫度不變，增大壓強，反應速率增大，平衡向氣體體積減小的方向移動；
（2）由圖可知，反應①溫度越高甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，說明升高溫度平衡向正反應方向移動；
化學平衡常數(shù)，指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值，據(jù)此書寫；
由圖可知，100℃到達平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率為0.5，據(jù)此計算甲烷的濃度變化量，根據(jù)三段式計算平衡時各組分濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算．

解答：解：Ⅰ．①由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，故v（CH₃OH）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L．min），速率之比等于化學計量數(shù)之比，故v（H₂）=3v（CH₃OH）=0.075mol/（L．min）×3=0.225mol/（L．mon），
故答案為：0.225；
②使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，應采取措施，使平衡向正反應移動，但不能只增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）減小，故A錯誤，
B．充入He（g），使體系壓強增大，容器的容積不變，反應混合物的濃度不變，平衡不移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）不變，故B錯誤，
C．將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正確，
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正確；
故答案為：CD；
Ⅱ．（1）溫度不變，增大壓強，反應速率增大，正反應為氣體體積增大的反應，平衡向逆反應方向移動，
故答案為：增大；逆反應；
（2）由圖可知，反應①溫度越高甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，說明升高溫度平衡向正反應方向移動，故正反應為吸熱反應，即△H₁＞0；
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)k=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；
甲烷的起始濃度=

0.2mol

10L

=0.02mol/L，水蒸氣起始濃度=

0.3mol

10L

=0.03mol/L，由圖可知，100℃到達平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率為0.5，故甲烷的濃度變化量為0.01mol/L，則：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：0.02    0.03     0       0
變化（mol/L）：0.01    0.01     0.01    0.03
平衡（mol/L）：0.01    0.02     0.01    0.03
故100℃時該反應平衡常數(shù)k=

0.01×0.033

0.01×0.02

=1.35×10^-3，
故答案為：＞；

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

；1.35×10^-3．

點評：本題考查化學反應速率計算、化學平衡影響因素、化學平衡常數(shù)及其計算等，難度中等，注意基礎知識理解掌握，注意掌握三段式解題法．