Question

【題目】甲醇是一種常見的燃料和有機溶劑。下列為合成甲醇的有關(guān)熱化學(xué)方程式：

Ⅰ．CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJmol-1

Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

Ⅳ.3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H4

回答下列問題：

（1）上述反應(yīng)中△H4=______kJmol-l。

（2）現(xiàn)將1.0mol CH4和2.0mol H2O（g）通入恒容反應(yīng)室（容積為100L）中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，平衡時CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖甲所示。

①下列說法能表明該反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)的是______（填字母序號）；

a．生成CO和H2的物質(zhì)的量之比為1：3

b．容器內(nèi)混合氣體的密度保持不變

c．混合氣體的壓強保持不變

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3

②已知100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H2表示的平均反應(yīng)速率為______molL-lmin-1；

③圖中的p1______p2（選填“＜”“＞”或“=”），100℃時的平衡常數(shù)為______mol2L-2。

（3）在壓強為0.1MPa條件下，1mol CO與3mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)發(fā)生反應(yīng)Ⅱ生成甲醇。

①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是______（填字母序號）；

a．升高溫度

b．將CH3OH（g）從體系中分離

c．充人氦氣，使體系總壓強增大

d．再充人1mol CO和3mol H2

②根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點，圖乙是在壓強分別為0.2MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線，請指明圖乙中的壓強px=______MPa。

（4）在總壓p=5MPa的恒壓密閉容器中進行反應(yīng)Ⅳ，按照不同氫碳比投料測得CO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度關(guān)系如圖丙所示（已知Kp是用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），則：

①X點時，H2的轉(zhuǎn)化率為______，

②600℃、m=3時，Kp=______MPa-2（保留兩位小數(shù)）。

（5）復(fù)旦大學(xué)先進材料實驗室科研團隊研究出以過渡金屬為催化劑的電催化還原二氧化碳制甲醇的途徑，大大提高了甲醇的產(chǎn)率，原理如圖丁所示。

①石墨2電極上發(fā)生______（選填“氧化”或“還原”）反應(yīng)；

②石墨1發(fā)生的電極反應(yīng)式為______。

Answer 1

【答案】-215.5 cd 0.003 ＜ 2.25×10-4 bd 0.2 60% 0.16 氧化 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)II+III可得3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）則△H4=-90kJmol-1+（-125.5kJmol-1）=-215.5kJ/mol，故答案為：-215.5；

（2）①a．該反應(yīng)發(fā)生時生成CO和H2的物質(zhì)的量之比始終為1：3，則不能判定反應(yīng)是否達(dá)到平衡態(tài)，故a錯誤；

b．恒容體系中各物質(zhì)均為氣體，氣體總質(zhì)量不變，所以容器內(nèi)混合氣體的密度始終保持不變，則不能判定反應(yīng)是否達(dá)到平衡態(tài)，故b錯誤；

c．該反應(yīng)正向氣體體積增大，所以混合氣體的壓強保持不變的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，故c正確；

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3，即v逆（CH4）：v正（H2）=1：3，正逆反應(yīng)速率符合反應(yīng)計量關(guān)系，則可判定反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；

綜上所述，答案為：cd；

②0～5min時CH4的物質(zhì)的量變化為1.0mol×0.5=0.5mol，v（CH4）= =0.001mol/（Lmin），反應(yīng)為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），所以v（H2）=3v（CH4）=0.003mol/（Lmin），故答案為：0.003；

③該反應(yīng)正向氣體體積增大，增大壓強，平衡逆向移動，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率減小，即壓強越大，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率越小，所以圖中壓強p1＜p2；

反應(yīng)三段式為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

平衡濃度：c（CH4）=0.005mol/L、c（H2O）=0.015mol/L、c（CO）=0.005mol/L、c（H2）=0.015mol/L，平衡常數(shù)K= mol2L-2=2.25×10-4mol2L-2，故答案為：2.25×10-4；

（3）①a．反應(yīng)正向放熱，升高溫度，平衡逆向移動，甲醇產(chǎn)率降低，故a錯誤；

b．將CH3OH（g）從體系中分離，降低CH3OH濃度，促進平衡正向移動，甲醇的產(chǎn)率增大，故b正確；

c．充人氦氣，使體系總壓強增大，但反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度不變，平衡不移動，甲醇產(chǎn)率不變，故c錯誤；

d．再充入1molCO和3molH2，相當(dāng)與增大壓強，平衡正向移動，甲醇產(chǎn)率增大，故d正確；

綜上所述，答案為：bd；

②該反應(yīng)正向氣體體積減小，增大壓強，平衡正向移動，CO的轉(zhuǎn)化率增大，即壓強越大，CO的轉(zhuǎn)化率越高，所以px=0.2MPa，py=5MPa，故答案為：0.2；

（4）①m=3時，H2與CO的物質(zhì)的量之比等于化學(xué)反應(yīng)的計量數(shù)之比時，所以H2、CO的轉(zhuǎn)化率相同，均為60%，故答案為：60%；

②反應(yīng)三段式為3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）（m=3時，設(shè)H2/span>的物質(zhì)的量為3mol，圖中CO2轉(zhuǎn)化率為60%）

平衡分壓：p（H2）=、p（CO2）= 、p（CH3OH）= p（H2O）= ，Kp= ，故答案為：0.16；

（5）①由電解裝置可知，石墨2上H2O→O2，O化合價升高，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故答案為：氧化；

②由電解裝置可知，石墨1上CO2（g）→CH3OH，則石墨1電極為陰極，發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O，故答案為：CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。