Question

【題目】工業(yè)上可用CO2和H2反應(yīng)合成甲醇。

已知25°C、101 kPa下：

H2(g)+1/2O2(g)=H2O (g) △H1= - 242kJ/mol

CH3OH(g)+3/2O2(g) =CO2(g)+2H2O(g) △H2= - 676kJ/mol

（1）寫出CO2與H2反應(yīng)生成CH3OH(g)與H2O (g)的熱化學(xué)方程式_________________。常溫下，某實(shí)驗(yàn)中將6 mol CO2和8 mol H2充入2 L的密閉容器中，測得H2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖曲線 (甲)所示。請完成下列問題：

（2）該反應(yīng)能在________（填“高溫”或“低溫”）條件下自發(fā)進(jìn)行；從a點(diǎn)到b點(diǎn)，用H2表示該反應(yīng)的平均化學(xué)反應(yīng)速率是____________。（保留兩位有效數(shù)字），a點(diǎn)逆反應(yīng)速率_____b點(diǎn)逆反應(yīng)速率(填“>”、“<”或“＝”)；達(dá)平衡時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率是_____。

（3）若僅改變某一實(shí)驗(yàn)條件再進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，測得H2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖中虛線(乙)所示，曲線(乙)對應(yīng)改變的實(shí)驗(yàn)條件可以是________(填序號(hào))。

a．加催化劑 b．增大壓強(qiáng) c．升高溫度 d．增大H2濃度

（4）若曲線甲b點(diǎn)達(dá)到平衡時(shí)體系壓強(qiáng)為100MPa，此時(shí)H2的平衡分壓為_______MPa。(某物質(zhì)分壓＝總壓×某物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

（5）下列敘述能標(biāo)志該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是_________

a．CO2與H2的轉(zhuǎn)化率之比不變 b．υ(生成H2) : υ(消耗H2O) = 3:1

c．混合氣體的相對分子質(zhì)量不變 d．甲醇與水蒸氣的分壓比不變

Answer 1

【答案】CO2(g)＋3H2(g) ＝CH3OH(g)＋H2O(g)　 ΔH＝ -50 kJ/mol 低溫 0.28mol/(L·min) < 33.3% b 20 ac

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律對已知熱化學(xué)方程式進(jìn)行加合運(yùn)算。

(2) 由CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) 的ΔH、ΔS的正負(fù)，再根據(jù)ΔH－TΔS<0時(shí)反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行，確定該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的溫度條件。由圖像分析，初始只投入了反應(yīng)物，從正反應(yīng)開始，第8min后反應(yīng)已處于平衡狀態(tài)，根據(jù)反應(yīng)速率公式=計(jì)算H2的平均反應(yīng)速率。根據(jù)逆反應(yīng)速率受生成物濃度影響分析a、b兩點(diǎn)逆反應(yīng)速率的相對大小。最后根據(jù)轉(zhuǎn)化率概念計(jì)算CO2的轉(zhuǎn)化率。

(3)從圖像分析，再一次實(shí)驗(yàn)時(shí)起始投料不變，達(dá)到平衡所需要的時(shí)間縮短，平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量比甲曲線小，表明平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。由此分析。

(4)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)先計(jì)算H2平衡時(shí)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，再根據(jù)“某物質(zhì)分壓＝總壓×某物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)”得到H2的平衡分壓。

(5)根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征分析。

(1)給已知的熱化學(xué)方程式編號(hào)①H2(g)+O2(g)=H2O (g) △H1= - 242kJ/mol。②CH3OH(g)+O2(g) =CO2(g)+2H2O(g) △H2= - 676kJ/mol。根據(jù)蓋斯定律，將①×3－②得：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝(- 242kJ/mol)×3－(- 676kJ/mol)= -50 kJ/mol。即所求的熱化學(xué)方程式為CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH=-50 kJ/mol。

(2) 由反應(yīng)CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH=-50 kJ/mol可知，該反應(yīng)ΔH<0，ΔS<0，因?yàn)橹挥挟?dāng)ΔH－TΔS<0時(shí)該反應(yīng)才能自發(fā)進(jìn)行，因此只有T值較小時(shí)（即低溫）下才可能自發(fā)進(jìn)行。由圖像知從a點(diǎn)到b點(diǎn)過程中Δc(H2)=－=2mol/L，Δt=8min－1min=7min，則用H2表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率===0.28mol/(L·min)。反應(yīng)開始時(shí)生成物濃度為0，逆反應(yīng)速率為最小，反應(yīng)開始后生成物濃度逐漸增大，逆反應(yīng)速率逐漸增大，所以a、b兩點(diǎn)逆反應(yīng)速率大小關(guān)系為：a<b。由圖像可知b、c兩點(diǎn)處于平衡狀態(tài)，平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量為2mol，參加反應(yīng)的H2的物質(zhì)的量Δn(H2)=8mol－2mol=6mol，根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)量數(shù)得CO2的轉(zhuǎn)化量Δn(CO2)=·Δn(H2)= ×6mol=2mol，所以達(dá)平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率=×100%=×100%=33.3%。

(3)分析圖像可知，再一次實(shí)驗(yàn)的初始投料相同，達(dá)到平衡所用時(shí)間縮短，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。a.催化劑不會(huì)使平衡移動(dòng)，a項(xiàng)錯(cuò)誤；b.對于有氣體參加的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率增大，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)，所以增大壓強(qiáng)，該反應(yīng)達(dá)到平衡所用時(shí)間縮短，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，b項(xiàng)正確；c.升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，即該反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，c項(xiàng)錯(cuò)誤；d.由圖像知初始時(shí)H2的濃度沒有變化，d項(xiàng)錯(cuò)誤；答案選b。

(4)曲線甲的b點(diǎn)達(dá)到平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量為2mol，由“三段式”分析如下：

平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=×100%=20%，則H2的平衡分壓=100MPa×20%=20MPa。

(5)a. 由反應(yīng)CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g)可知，反應(yīng)過程中CO2和H2轉(zhuǎn)化量之比=1:3，但初始時(shí)CO2和H2的物質(zhì)的量之比=6mol:8mol=3:4≠1:3，因此反應(yīng)過程中CO2和H2的轉(zhuǎn)化率之比≠1:3，且一直在變化，只有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)CO2和H2的轉(zhuǎn)化率之比才不變，所以CO2與H2的轉(zhuǎn)化率之比不變，能標(biāo)志該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，a項(xiàng)正確；b.υ(生成H2)表示逆反應(yīng)速率，υ(消耗H2O)也表示逆反應(yīng)速率，不能確定此時(shí)反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。所以υ(生成H2) : υ(消耗H2O) = 3:1，不能標(biāo)志該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，b項(xiàng)錯(cuò)誤；c.根據(jù)質(zhì)量守恒，反應(yīng)過程中混合氣體總質(zhì)量（m總）不變，由反應(yīng)方程式知，在反應(yīng)過程中混合氣體的總物質(zhì)的量（n總）一直減小，根據(jù)混合氣體的相對分子質(zhì)量公式=可推知，混合氣體的相對分子質(zhì)量在反應(yīng)過程中一直在變化，只有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)才不變，所以混合氣體的相對分子質(zhì)量不變，能標(biāo)志該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，c項(xiàng)正確；d.根據(jù)“某物質(zhì)分壓＝總壓×某物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)”可知，物質(zhì)分壓與對應(yīng)組分的物質(zhì)的量成正比，由反應(yīng)方程式計(jì)量數(shù)知，生成甲醇與水蒸氣的物質(zhì)的量之比一直等于1:1，因此反應(yīng)過程中甲醇與水蒸氣的分壓比一直不變，所以甲醇與水蒸氣的分壓比不變，不能標(biāo)志該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，d項(xiàng)錯(cuò)誤；答案選ac。