Question

12．“低碳經(jīng)濟(jì)”備受關(guān)注，CO₂的有效開發(fā)利用成為科學(xué)家研究的重要課題．
（1）已知：
CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ•mol^-1
H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
C（s）的燃燒熱△H=-394.0kJ•mol^-1
則表示H₂燃燒熱的熱化學(xué)方程式為H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol．
（2）在0.1MPa、Ru/TiO₂催化下，將H₂和CO₂按投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$=4：1置于恒壓密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：
反應(yīng)I  CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H₁
反應(yīng)II  CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂
測(cè)得CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₄和CO選擇性隨溫度變化情況分別如圖1和圖2所示．
（選擇性：轉(zhuǎn)化的CO₂中生成CH₄或CO的百分比）

①反應(yīng)I的△H₁＜ （填“＞”、“＜“或“=”）0；理由是反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)后，隨溫度升高二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)．
②溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于反應(yīng)I的進(jìn)行，原因是溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率慢，溫度過(guò)高反應(yīng)Ⅰ向逆反應(yīng)方向進(jìn)行且CH₄的選擇性減�。�
③350℃時(shí)，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K_p=2.89×10⁴（MPa）^-2（用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）．
④為減少CO在產(chǎn)物中的比率，可采取的措施有降低溫度或增加壓強(qiáng)（列舉一條）．
（3）為探究反應(yīng)I的反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系，向恒容密閉容器中通入濃度均為1.0mol•L^-1的H₂與CO₂．根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)繪制出反應(yīng)速率與濃度關(guān)系曲線：v_正～c（CO₂）和v_逆～c（H₂O）．則與曲線v_正～c（CO₂）相對(duì)應(yīng)的是圖3曲線乙（填“甲”或“乙”）；該反應(yīng)達(dá)到平衡后，某一時(shí)刻降低溫度，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，則此時(shí)曲線甲對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)可能為D（填字母，下同），曲線乙對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)可能為C．

Answer 1

分析 （1）①CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ•mol^-1
②H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
C（s）的燃燒熱△H=-394.0kJ•mol^-1，故熱化學(xué)方程式為③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394.0kJ•mol^-1
$\frac{1}{2}×①$+$\frac{1}{2}×$③-②得，H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol據(jù)此進(jìn)行分析；
（2）①反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)后，隨溫度升高二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
②據(jù)影響平衡移動(dòng)及化學(xué)反應(yīng)快慢來(lái)分析；
③K_p=$\frac{p（C{H}_{4}）{p}^{2}（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）{p}^{4}（{H}_{2}）}$進(jìn)行計(jì)算；
④由圖象得，為減少CO在產(chǎn)物中的比率，可采取的措施有降低溫度或增加壓強(qiáng)，據(jù)此進(jìn)行分析；
（3）CH₄與CO₂其起始的物質(zhì)的量濃度均為1.0 mol•L^-1，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲烷的濃度會(huì)越來(lái)越小，正反應(yīng)速率也會(huì)越來(lái)越小，據(jù)此判斷，根據(jù)圖可知，反應(yīng)平衡時(shí)圖中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)應(yīng)為A和F點(diǎn)，降溫后，反應(yīng)速率減小，平衡逆向移，甲烷的濃度會(huì)增大，CO濃度減小，據(jù)此判斷．

解答 解：（1）①CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=-90.0kJ/mol
②H₂O（1）═H₂O（g）△H=+44.0kJ/mol
C（s）的燃燒熱△H=-394.0kJ•mol^-1，故熱化學(xué)方程式為③C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-394.0kJ/mol
$\frac{1}{2}×①$+$\frac{1}{2}×$③-②得，H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol，
故答案為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286KJ/mol；
（2）①反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)后，隨溫度升高二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故＜0；原因是反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)后，隨溫度升高二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
故答案為：＜；反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)后，隨溫度升高二氧化碳平衡轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
②溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于反應(yīng)I的進(jìn)行，原因是：溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率慢，溫度過(guò)高反應(yīng)Ⅰ向逆反應(yīng)方向進(jìn)行且CH₄的選擇性減小，
故答案為：溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率慢，溫度過(guò)高反應(yīng)Ⅰ向逆反應(yīng)方向進(jìn)行且CH₄的選擇性減��；
③CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
開始（n）       1             4                0              0
變化              0.8           3.2             0.8           1.6
平衡              0.2           0.8             0.8           1.6，則p（CO₂）=$\frac{0.2}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{1}{170}$MPa，p（H₂）=$\frac{0.8}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{4}{170}$MPa，p（CH₄）=$\frac{0.8}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{4}{170}$MPa，p（H₂O）=$\frac{1.6}{0.2+0.8+0.8+1.6}$×0.1MPa=$\frac{8}{170}$MPa，則K_p=$\frac{p（C{H}_{4}）{p}^{2}（{H}_{2}O）}{p（C{O}_{2}）{p}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{4}{170}MPa×（\frac{8}{170}MPa）^{2}}{\frac{1}{170}MPa×（\frac{4}{170}MPa）^{4}}$=2.89×10⁴（MPa）^-2，
故答案為：2.89×10⁴（MPa）^-2；
④由圖象得，為減少CO在產(chǎn)物中的比率，可采取的措施有降低溫度或增加壓強(qiáng)，
故答案為：降低溫度或增加壓強(qiáng)；
（3）CH₄與CO₂其起始的物質(zhì)的量濃度均為1.0 mol•L^-1，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲烷的濃度會(huì)越來(lái)越小，正反應(yīng)速率也會(huì)越來(lái)越小，所以曲線v_正-c（CH₄）相對(duì)應(yīng)的是如圖3中曲線是乙線；根據(jù)圖可知，反應(yīng)平衡時(shí)圖中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)應(yīng)為A和F點(diǎn)，降溫后，反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，甲烷的濃度會(huì)增大，所以此時(shí)曲線甲對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)可能為應(yīng)為D點(diǎn)；降溫后，反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，CO濃度減小，曲線乙對(duì)應(yīng)的平衡點(diǎn)可能為C點(diǎn)，
故答案為：乙；D；C．

點(diǎn)評(píng) 本題考查燃燒熱化學(xué)方程式的書寫，反應(yīng)熱的判斷，平衡的移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算等，本題難度中等．