Question

【題目】“低碳經濟”已成為全世界科學家研究的重要課題。為減小和消除CO2對環境的影響，一方面世界各國都在限制其排放量，另一方面科學家加強了對CO2創新利用的研究。

（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反應生成CH4和H2O(g)的熱化學方程式：_____________________________________。

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

①反應的化學方程式為：____________________________________________________。

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

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

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

②對于氣相反應，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(記作Kp)，，則該反應的Kp=______________，提高，則Kp_____________(填“變大”“變小”或“不變”)。使用鐵鎂催化劑的實際工業流程中，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的轉化率不太高，而投料比3～5時轉化率已經很高達到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經濟上不合算，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

根據蓋斯定律，由③-2×①+②得反應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根據圖中曲線信息可知，v（CO2）=、v（H2O）=v（CH3OH）=，根據化學反應速率之比等于反應方程式的計量數之比可知反應中CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的系數均為1，結合化學方程式配平可得反應的化學方程式為：CO2+3H2CH3OH+H2O；②根據反應速率之比等于計量數之比，從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H2）=3v（CO2）=；（3）①由圖可知p(H2O)/p(CO)相同時溫度越高CO的平衡轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則逆反應為吸熱反應；②對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（pB）代替物質的量濃度也可以表示平衡常數（記作Kp），反應的平衡常數=；平衡常數只與溫度有關，與濃度無關，所以提高比，則KP不變；由圖象可知，投料比太低，CO的轉化率不太高，而投料比3～5時轉化率已經很高達到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經濟上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右，所以一般采用400℃左右， =3～5。