Question

工业上利用CO和H₂合成甲醇，而CO和H₂来源于煤的气化。回答下列问题。

（I）.（1）己知：①H₂(g)+1/2O₂(g)=H₂O(g)    △H₁=-241.8kJ/mol

②C(s)+ O₂(g)=CO(g)  △H₂=-110.5kJ/mol

则焦炭与水蒸气反应的热化学方程式为_____________。

（2）已知反应CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) △H=-99kJ/mol中的相关化学键键能如下：

则x=________

（II）(3)在一容积可变的密闭容器中，lmolCO与2molH₂发生反应：CO(g)+2H₂(g) CH₃OH(g), CO在不同温度下的平衡转化率(a)与总压强的关系如下图所示。

①该反应的△S_____0，图中的T_l____T₂（填“>”、“<”或“=”)。

②该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度范围的原因有：________。

③图中a点时以CH₃OH的物质的量分数为_______，该反应的压强平衡常数为Kp=______(KPa)^-2（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。

（4）利用合成气(主要成分为CO和H₂)合成甲醇，发生主要反应如下：

I: CO(g)+2H₂(g) CH₃OH(g)   △H₁

II：CO₂(g)+H₂(g) CO(g)+H₂O(g)   △H₂

III：CO₂(g)+3H₂(g) CH₃OH(g) +H₂O(g)   △H₃₁

上述反应对应的平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，它们随温度变化曲线如下图所示。

则△H₁______△H₃（填“>”、“<”或“=”)。理由是____________。

Answer

C(s)+H2O(g)===CO(g) + H2 (g) △H2=+131. 3 kJ/mol 1076 < < 此温度范围下的催化剂活性高；温度低于240℃，反应速率太慢；同时该反应为放热反应，温度高于270℃，化学平衡逆向移动，转化率降低 0.25 1.6×10－7 ＜ 由图可知，随着温度升高，K2减小，则△H2＞0，根据盖斯定律又得△H3＝△H1＋△H2，所以△H1＜△H3（1分）

【解析】（I）（1）己知：①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) △H1=-241.8kJ/mol，

②C(s)+ O2(g)=CO(g) △H2=-110.5kJ/mol，根据盖斯定律可知由②-①可得C(s)+H2O(g)===CO(g) + H2 (g) ，则△H2=（-110.5kJ/mol）-（-241.8kJ/mol）=+131. 3 kJ/mol ；即焦炭与水蒸气反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g)===CO(g) + H2 (g) △H2=+131. 3 kJ/mol ；

（2）反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和，即CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g），x+2×436-413×3-343-465=-99，解之得x=1076；

（II）①反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)正方向是气体物质的量总和减小的方向，则△S＜0，压强相同时一氧化碳的转化率高，所以平衡正向移动，而正反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，CO的平衡转化率减小，故Tl＜T2；

②当温度低于240℃，反应速率太慢；同时该反应为放热反应，温度高于270℃，化学平衡逆向移动，转化率降低，可见该合成反应的温度一般控制在240～270℃，并且此时催化剂活性高；

③a点的一氧化碳转化率为50%，总压为0.5MPa，
               CO（g）+2H2（g）⇌CH3OH（g）
起始量（mol）    1      2          0
变化量（mol）   x       2x         x
平衡量（mol）  1-x     2-2x        x
而一氧化碳转化率为50%，所以x=0.5mol，a点时以CH3OH的物质的量分数为×100%=25%；Kp==1.6×10-7 （kPa）-2；

（4）由图可知，随着温度升高，K2减小，则△H2＞0，根据盖斯定律又得△H3＝△H1＋△H2，所以△H1＜△H3。

点睛：应用盖斯定律进行简单计算时，关键在于设计反应过程，同时注意：①参照新的热化学方程式(目标热化学方程式)，结合原热化学方程式(一般2～3个)进行合理“变形”，如热化学方程式颠倒、乘除以某一个数，然后将它们相加、减，得到目标热化学方程式，求出目标热化学方程式的ΔH与原热化学方程式之间ΔH的换算关系。②当热化学方程式乘、除以某一个数时，ΔH也应相应地乘、除以某一个数；方程式进行加减运算时，ΔH也同样要进行加减运算，且要带“+”“－”符号，即把ΔH看作一个整体进行运算。③将一个热化学方程式颠倒书写时，ΔH的符号也随之改变，但数值不变。④在设计反应过程中，会遇到同一物质的三态(固、液、气)的相互转化，状态由固→液→气变化时，会吸热；反之会放热。