Question

【題目】“低碳經(jīng)濟(jì)”已成為全世界科學(xué)家研究的重要課題。為減小和消除CO2對(duì)環(huán)境的影響，一方面世界各國都在限制其排放量，另一方面科學(xué)家加強(qiáng)了對(duì)CO2創(chuàng)新利用的研究。

（1）已知：①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)　ΔH=-41 kJ·mol-1

②C(s)+2H2(g)CH4(g)　ΔH=-73 kJ·mol-1

③2CO(g)C(s)+CO2(g)　ΔH=-171 kJ·mol-1

寫出CO2與H2反應(yīng)生成CH4和H2O(g)的熱化學(xué)方程式：_____________________________________。

（2）目前工業(yè)上有一種方法是用CO2來生產(chǎn)燃料甲醇。為探究該反應(yīng)原理，在容積為2 L的密閉容器中，充入1 mol CO2和3.25 mol H2在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物質(zhì)的量(n)隨時(shí)間的變化如圖所示：

①反應(yīng)的化學(xué)方程式為：____________________________________________________。

②從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v(H2)=_____________mol/(Lmin)。

（3）煤化工通常研究不同條件下CO轉(zhuǎn)化率以解決實(shí)際問題。已知在催化劑存在條件下反應(yīng)：CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)中CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨p(H2O)/p(CO)及溫度變化關(guān)系如圖所示： [p(H2O)、p(CO)表示H2O、CO的平衡分壓，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)]：

①上述反應(yīng)的逆反應(yīng)方向是_____________反應(yīng)(填“吸熱”或“放熱”)；

②對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分(B)的平衡分壓(pB)代替平衡濃度(cB)也可以表示平衡常數(shù)(記作Kp)，，則該反應(yīng)的Kp=______________，提高，則Kp_____________(填“變大”“變小”或“不變”)。使用鐵鎂催化劑的實(shí)際工業(yè)流程中，一般采用400 ℃左右、=3～5，采用此條件的原因可能是______________________________________________________________________。

Answer 1

【答案】 CO2（g）+4H2（g） CH4（g）+2H2O（g）；ΔH=-162kJmol-1 CO2+3H2CH3OH+H2O 0.1125 吸熱 不變 投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5時(shí)轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達(dá)到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟(jì)上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右

【解析】（1）已知：①CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)　ΔH1=-41 kJ·mol-1

②C(s)+2H2(g)CH4(g)　ΔH2=-73 kJ·mol-1

③2CO(g)C(s)+CO2(g)　ΔH3=-171 kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律，由③-2×①+②得反應(yīng)CO2（g）+4H2（g） CH4（g）+2H2O（g）；ΔH=ΔH3-2×ΔH1+ΔH2=-171 kJ·mol-1-2×（-41 kJ·mol-1）+（-73 kJ·mol-1）=-162kJmol-1；(2) ①根據(jù)圖中曲線信息可知，v（CO2）=、v（H2O）=v（CH3OH）=，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比等于反應(yīng)方程式的計(jì)量數(shù)之比可知反應(yīng)中CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的系數(shù)均為1，結(jié)合化學(xué)方程式配平可得反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CO2+3H2CH3OH+H2O；②根據(jù)反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H2）=3v（CO2）=；（3）①由圖可知p(H2O)/p(CO)相同時(shí)溫度越高CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；②對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強(qiáng)（pB）代替物質(zhì)的量濃度也可以表示平衡常數(shù)（記作Kp），反應(yīng)的平衡常數(shù)=；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度無關(guān)，所以提高比，則KP不變；由圖象可知，投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5時(shí)轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達(dá)到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟(jì)上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右，所以一般采用400℃左右， =3～5。