Question

【題目】甲醇是重要的化工原料。利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇，可能發(fā)生的反應(yīng)如下：

i CO2(g)+ 3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g) H1=Q kJ·mol-1

ii. CO2(g)+ H2(g) CO(g)+H2O(g) H2=+41 kJ·mol-1

iii. CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) H3= 99 kJ·mol-1

回答下列問題：

（1）Q=_________

（2）圖中能正確反映平衡常數(shù)K3(反應(yīng)iii的平衡常數(shù))隨溫度變化關(guān)系的曲線為__（填字母）

（3）如圖為單位時(shí)間內(nèi)CO2+H2、CO+ H2、CO/CO2+H2三個(gè)條件下生成甲醇的物質(zhì)的量濃度與溫度的關(guān)系(三個(gè)條件下通入的CO、CO2和H2的物質(zhì)的量濃度相同)。490K時(shí)，根據(jù)曲線a、c判斷合成甲醇時(shí)主要發(fā)生的反應(yīng)為________(填“i”或“iii”)；由曲線a可知，甲醇的量先增大后減小，其原因是_________________________________。

（4）如圖是以NaOH溶液為電解質(zhì)溶液的甲醇燃料電池:電極a的反應(yīng)式為____________，若隔膜為陽離子交換膜，則每轉(zhuǎn)移6mol電子，溶液中有_______mol Na+向____________(填“正極區(qū)”或“負(fù)極區(qū)")移動(dòng)。

（5）CO2經(jīng)催化加氫也可以生成低碳烴，主要有兩個(gè)競爭反應(yīng)：

反應(yīng)I:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)

反應(yīng)II :2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g)

在1L恒容密閉容器中充入2molCO2和4molH2測得平衡時(shí)有關(guān)物質(zhì)的物質(zhì)的量隨溫度變化如圖所示。T1℃時(shí),CO2的轉(zhuǎn)化率為______。T1℃時(shí)，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=_________(保留三位有效數(shù)字)。

Answer 1

【答案】58 a i 溫度低于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)未達(dá)到平衡，溫度升高速率加快，甲醇物質(zhì)的量增多，溫度高于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)達(dá)到平衡，反應(yīng)i為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡左移，甲醇物質(zhì)的量減少 CH3OH 6e－ + 8OH－ = CO32 +6H2O 6 正極區(qū) 30% 0.0129 L2mol 2

【解析】

⑴根據(jù)蓋斯定律第二個(gè)方程式加第三個(gè)方程式得到第一個(gè)方程式。

⑵反應(yīng)iii是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小。

⑶ 490K時(shí)，根據(jù)圖像主要是發(fā)生曲線a反應(yīng)；甲醇的量先增大后減小，其原因是溫度低于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)未達(dá)到平衡，溫度升高速率加快，甲醇物質(zhì)的量增多，溫度高于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)達(dá)到平衡，反應(yīng)i為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡左移，甲醇物質(zhì)的量減少。

⑷甲醇燃料電池中燃料作負(fù)極，氧化劑作正極，每轉(zhuǎn)移6mol電子，b極時(shí)有6mol OH－生成，根據(jù)原電池“同性相吸”原理。

⑸T1℃時(shí)，計(jì)算生成CH4、C2H4物質(zhì)的量，根據(jù)方程式計(jì)算生成CH4、C2H4消耗CO2的物質(zhì)的量，再計(jì)算總消耗CO2的物質(zhì)的量，再計(jì)算CO2的轉(zhuǎn)化率；T1℃時(shí)，先計(jì)算反應(yīng)I生成CH4、H2O的物質(zhì)的量，再計(jì)算消耗的CO2和H2的物質(zhì)的量，再計(jì)算反應(yīng)II生成C2H4、H2O的物質(zhì)的量，再計(jì)算消耗的CO2、H2的物質(zhì)的量，平衡時(shí)還剩余CO2、H2的物質(zhì)的量，共生成H2O的物質(zhì)的量，再求反應(yīng)I的平衡常數(shù)。

⑴根據(jù)蓋斯定律第二個(gè)方程式加第三個(gè)方程式得到第一個(gè)方程式，即H1 =+41 kJ·mol1+ ( 99 kJ·mol1) =58 kJ·mol1；故答案為：58。

⑵反應(yīng)iii是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，因此圖中能正確反映平衡常數(shù)K3(的平衡常數(shù))隨溫度變化關(guān)系的曲線為a；故答案為：a。

⑶ 490K時(shí)，根據(jù)圖像主要是發(fā)生曲線a反應(yīng)，因此合成甲醇時(shí)主要發(fā)生的反應(yīng)為i；由曲線a可知，甲醇的量先增大后減小，其原因是溫度低于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)未達(dá)到平衡，溫度升高速率加快，甲醇物質(zhì)的量增多，溫度高于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)達(dá)到平衡，反應(yīng)i為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡左移，甲醇物質(zhì)的量減少；故答案為：i；溫度低于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)未達(dá)到平衡，溫度升高速率加快，甲醇物質(zhì)的量增多，溫度高于490K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)達(dá)到平衡，反應(yīng)i為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡左移，甲醇物質(zhì)的量減少。

⑷甲醇燃料電池中燃料作負(fù)極，氧化劑作正極，因此電極a的反應(yīng)為CH3OH失去電子，在氫氧化鈉作用下生成碳酸根，其反應(yīng)式為CH3OH 6e－ + 8OH－ = CO32 +6H2O，若隔膜為陽離子交換膜，則每轉(zhuǎn)移6mol電子，b極時(shí)有6mol OH－生成，根據(jù)原電池“同性相吸”原理，因此溶液中有6 mol Na+向正極區(qū)移動(dòng)；故答案為：CH3OH 6e－ + 8OH－ = CO32 +6H2O；6；正極區(qū)。

⑸T1℃時(shí)，生成CH4物質(zhì)的量為0.2mol，生成C2H4物質(zhì)的量為0.2mol，根據(jù)方程式生成0.2mol CH4，則消耗CO2物質(zhì)的量為0.2mol，生成0.2mol C2H4，則消耗CO2物質(zhì)的量為0.4mol，共消耗CO2物質(zhì)的量為0.6mol，因此CO2的轉(zhuǎn)化率為；T1℃時(shí)，反應(yīng)I生成0.2mol CH4，0.4mol H2O，消耗0.2mol CO2，0.8mol H2，反應(yīng)II生成0.2mol C2H4，0.8mol H2O，消耗0.4mol CO2，1.2mol H2，平衡時(shí)還剩余1.4mol CO2，2mol H2，共生成1.2mol H2O，因此反應(yīng)I的平衡常數(shù)；故答案為：30%；0.0129 L2mol 2。