Question

6．中国科技网2013年2月6日报导：中国工程院院士范良士教授领导的研究小组，成功开发出煤清洁燃烧的新方法．该方法的流程如图所示：

利用化学循环技术使煤释放热量的同时，捕获了反应过程中产生的99%的二氧化碳，高温铁粉用来发电，氧化后循环使用，达到电力和化工的联产，煤炭资源综合利用的目的．
（1）己知下列热化学方程式：
①C（s）+1/2O₂（g）=CO（g）△H₁=-110.4KJ/mo1
②C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ/mol
③Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H₃=-26.7KJ/mo1
则Fe₂O₃与C（s）反应生成Fe（s）和CO₂（g）的热化学方程式为：2Fe₂O₃+3C（s）=4Fe（s）+3CO₂（g）△H=464.7KJ/mol．
（2）捕捉到的CO₂可以和H₂合成绿色燃料甲醇．300°C时，在两个容积均为2L的密闭容器中，当c（CO₂）=1.00mo1•L^-1、c（H₂）=1.60mol•L^-1时，
分别选择催化剂I、催化剂Ⅱ开始反应，达到平衡状态M．反应结果如图所示．
请回答下列问题：
①使用催化剂I时，反应在10h内的平均反应速率：
V（H₂）=0.054mol/•（L•h）^-1．达到平衡M时比较两个容器中的正反应速率催化剂I＜催化剂II（填“＞”或“＜”或“=”）．
②达到平衡M后，甲醇的体积分数为9.10（保留到小数点后两位）；此反应在300°C时的平衡常数为0.05．
③若继续向上述平衡体系M中通入0.4molCO₂和0.4mol甲醇，平衡将向逆向移动（填“正向”或“逆向”），达到平衡时得到H₂的浓度为amol/L；若继续向上述平衡体系M中通入0.8molCO₂和0.4molH₂O，达到平衡时得到H₂的浓度为bmol/L，则a＞b（填“＞”或“＜”或“=”）．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算，[（①-②×$\frac{1}{2}$）×3+③]×2得到所需热化学方程式；
（2）①根据反应在10小时内二氧化碳的转化率计算出消耗二氧化碳的物质的量浓度，再计算出用二氧化碳表示的平均反应速率，最后根据反应速率与化学计量数的关系计算出用氢气表示的反应速率，催化剂加快反应速率，达到平衡所需时间短；
②分析图象数据结合化学平衡三段式列式计算，体积分数=物质的量的分数=$\frac{甲醇物质的量}{平衡混合气体总物质的量}$×100%，平衡常数等于平衡状态生成物平衡浓度除以反应物平衡浓度；
③计算此时的浓度商和平衡常数比较分析判断平衡移动方向，两种反应物增大一种物质会提高另一种物质的转化率．

解答 解：（1）①C（s）+1/2O₂（g）=CO（g）△H₁=-110.4KJ/mo1
②C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-393.5kJ/mol
③Fe₂O₃（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO₂（g）△H₃=-26.7KJ/mo1
依据盖斯定律[（①-②×$\frac{1}{2}$）×3+③]×2得到，Fe₂O₃与C（s）反应生成Fe（s）和CO₂（g）的热化学方程式为：2Fe₂O₃+3C（s）=4Fe（s）+3CO₂（g）△H=464.7KJ/mol，
故答案为：2Fe₂O₃+3C（s）=4Fe（s）+3CO₂（g）△H=464.7KJ/mol；
（2）①用催化剂I时，反应在10小时内二氧化碳的转化率为0.18，二氧化碳的浓度变化为：1.00mol•L^-1×0.18=0.18mol/L，则反应在10小时内二氧化碳的平均反应速率为：v（CO₂）=$\frac{0.18mol/L}{10h}$=0.018mol•（L•h）^-1，则v（H₂）=3v（CO₂）=0.054mol•（L•h）^-1，达到平衡M时催化剂I需要的时间长，则两个容器中的正反应速率催化剂I＜催化剂Ⅱ，
故答案为：0.054，＜；
②反应为CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），结合化学平衡三段式列式，平衡时二氧化碳转化率为20%，反应的二氧化碳物质的量=20%×1mol/L×2=0.4mol，
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）  2       3.2        0         0
变化量（mol）  0.4     1.2        0.4       0.4
平衡量（mol） 1.6      2          0.4       0.4
甲醇的体积分数=$\frac{0.4mol}{（1.6+2+0.4+0.4）mol}$×100%=9.10%
平衡常数=$\frac{\frac{0.4}{2}×\frac{0.4}{2}}{\frac{1.6}{2}×（\frac{2}{2}）^{3}}$=0.05
故答案为：9.10%，0.05；
③若继续向上述平衡体系M中通入0.4molCO₂和0.4mol甲醇，此时浓度商=$\frac{\frac{0.4}{2}×\frac{0.4+0.4}{2}}{\frac{1.6+0.4}{2}×（\frac{2}{2}）^{3}}$=0.08＞K=0.05，平衡逆向进行，若继续向上述平衡体系M中通入0.8molCO₂和0.4molH₂O，两种反应物增大一种物质会提高另一种物质的转化率，氢气浓度减小，达到平衡时得到H₂的浓度amol/＞bmol/L，
故答案为：逆向，＞．

点评 本题考查了热化学方程式书写和盖斯定律的计算应用，化学平衡的计算应用，平衡常数的计算应用是解题关键，题目难度中等．