Question

（16分）工业上可用煤制天然气，生产过程中有多种途径生成CH₄。
（1）写出CO₂与H₂反应生成CH₄和H₂O的热化学方程式                     。
已知： ① CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)    ΔH＝－41kJ·mol^－1 
② C(s)+2H₂(g)CH₄(g)           ΔH＝－73kJ·mol^－1
③ 2CO(g)C(s)+CO₂(g)          ΔH＝－171kJ·mol^－1
（2）另一生成CH₄的途径是CO(g)+3H₂(g)CH₄(g)+H₂O(g)。其他条件相同时，H₂的平衡转化率在不同压强下随温度的变化如图所示。

①该反应的△H     0（填“＜”、“＝”或“＞”）。
②实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的理由________________________。
③某温度下，将0.1 mol CO和0.3 mol H₂充入10L的密闭容器内发生反应CO(g)+3H₂(g) CH₄(g)+H₂O(g)，平衡时H₂的转化率为80%，求此温度下该反应的平衡常数K。（写出计算过程，计算结果保留两位有效数字）

Answer 1

（1）CO₂(g)+4H₂(g)CH₄(g)+2H₂O(g)    ΔH＝－162kJ·mol^－1  （3分，热化学方程式2分，数据1分）
（2）①＜      （3分）
②相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高。    （3分）
③（7分）
CO(g)+3H₂(g) CH₄(g)+H₂O(g)
起始时各物质浓度/ mol·L^－1：   0.01   0 .03        0      0
平衡时各物质浓度/ mol·L^－1       0.002  0.006        0.008   0.008
（以上3分）
K＝＝＝0.148×10⁶
（1分）                      （1分）                        （2分，数据和单位各1分）

试题分析：
⑴先写出该反应的方程式，并标明各物质的状态：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）；将“②+③-①×2”能得该反应方程式，再根据盖斯定律可计算该反应的反应热△H＝（-73kJ?mol^-1）+（-171kJ?mol^-1）-（-41kJ?mol^-1）×2＝-162kJ?mol^-1，综上便可写出完整的热化学方程式。
⑵①由图可知，压强一定时，升高温度，平衡时氢气的转化率降低，平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应，则△H＜0；
②相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高；
③平衡时H₂的转化率为80%，参加反应氢气的物质的量=0.3mol×80%=0.24mol，则氢气的浓度变化量==0.024mol/L，然后结合三段分析如下：
CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：0.01   0.03     0       0
变化（mol/L）：0.008  0.024   0.008    0.008
平衡（mol/L）：0.002    0.006  0.008     0.008
故平衡常数K＝＝＝0.148×10⁶。