Question

14．工業(yè)上一般以CO和H₂為原料合成甲醇，該反應的熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）已知CO（g）、H₂（g）的標準燃燒熱分別為-285.8kJ•mol^-1，-283.0kJ•mol^-1，且CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-761kJ/mol；則CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的△H=-90.8 kJ/mol．
（2）若將等物質(zhì)的量的CO和H₂混合氣體充入恒溫恒容密閉容器中進行上述反應，下列事實能說明此反應已達到平衡狀態(tài)的是D．
A．容器內(nèi)氣體密度保持不變               B．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
C．生成CH₃OH的速率與生成H₂的速率相等  D．CO的體積分數(shù)保持不變
（3）下列措施中既有利于增大該反應的反應速率又能增大CO轉化率的是C．

A．將CH₃OH及時從混合物中分離
B．降低反應溫度
C．恒容裝置中充入H₂
D．使用高效催化劑
（4）在容積為2L的恒容容器中，分別研究反應在300℃、350℃和400℃三種溫度下合成甲醇的規(guī)律．圖2是上述三種溫度下不同的H₂和CO的起始組成比（起始時CO的物質(zhì)的量均為1mol）與CO平衡轉化率的關系．請回答：
①在上述三種溫度中，曲線X對應的溫度是300℃．
②利用圖1中a點對應的數(shù)據(jù)，計算出曲線Z在對應溫度下
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） 的平衡常數(shù)K=16．
（5）其他條件相同時，某同學研究該甲醇合成反應在不同催化劑Ⅰ或Ⅱ作用下反應相同時間時，CO的轉化率隨反應溫度的變化情況．請在圖2中補充t℃后的變化情況．

Answer 1

分析 （1）先根據(jù)燃燒熱分別寫出CO、H₂、CH₃OH熱化學方程式
CO燃燒的熱化學方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283kJ•mol^-1 ①
H₂燃燒的熱化學方程式：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-285.8×2 kJ•mol^-1 ②
CH₃OH燃燒的熱化學方程式：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律將①+②-③計算；
（2）根據(jù)化學平衡狀態(tài)的特征解答，當反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
（3）該可逆反應是反應前后氣體體積減小的放熱反應，增大反應速率又有利于提高CO轉化率，應該增大壓強；
（4）①合成甲醇的反應是放熱反應，溫度升高，轉化率降低；
②根據(jù)平衡常數(shù)表達式和一氧化碳的轉化率求算；
（5）催化劑可以加快反應速率，但是不會引起化學平衡的移動，升高溫度，可以引起化學平衡移動，據(jù)此回答．

解答 解：（1）CO燃燒的熱化學方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283kJ•mol^-1 ①
H₂燃燒的熱化學方程式：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-285.8×2 kJ•mol^-1 ②
CH₃OH燃燒的熱化學方程式：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-761kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律將①+②+（-③）可得：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（l）△H=-90.8KJ•mol^-1，
故答案為：-90.8 kJ/mol；
（2）A、反應前后質(zhì)量和體積一直不變，所以密度一直不變，不能判斷平衡，故A錯誤；
B、反應前后質(zhì)量不變，但物質(zhì)的量在變，所以平均相對分子質(zhì)量保持不變，說明反應達平衡狀態(tài)，故B正確；
C、生成CH₃OH的速率與生成H₂的速率等于系數(shù)之比，才能證明正逆反應速率相等，此時給定的條件不能判斷平衡，故C錯誤；
D、CO體積分數(shù)保持不變，說明正逆反應速率相等，則反應達平衡狀態(tài)，故D正確；
故選D；
（3）該可逆反應是反應前后氣體體積減小的放熱反應，
A．隨時將CH₃OH與反應混合物分離，平衡向正反應方向移動，但反應速率不變，故錯誤；
B．降低反應溫度平衡向正反應方向移動，但反應速率減小，故錯誤；
C．恒容裝置中充入H₂，即增大體系壓強，平衡向正反應方向移動且反應速率增大，故正確；
D．使用高效催化劑，反應速率增大，但平衡不移動，故錯誤；
故選C；
（4）①根據(jù)反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1，是放熱反應，溫度越高，轉化率越低，所以曲線Z對應的溫度是300℃，
故答案是：300℃；
②該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$，a點時，CO轉化率50%，反應消耗了1mol×50%=0.5molCO，消耗氫氣1mol，剩余n（H₂）=1.5mol-1mol=0.5mol，生成0.5mol甲醇，a點各組分的濃度是：c（CH₃OH）=0.25mol/L，c（CO）=0.25mol/L，c（H₂）=0.25mol/L，
帶人表達式得：K=$\frac{0.25}{0.25×0.2{5}^{2}}$=16L²•mol^-2，
故答案是：16；
（5）催化劑可以加快反應速率，但是不會引起化學平衡的移動，升高溫度，化學平衡逆向移動，可以降低CO的轉化率，t℃后的變化情況如下：，故答案為：．

點評 本題考查較綜合，涉及原電池原理、化學平衡計算、外界條件對化學平衡的影響等知識點，側重考查學生分析問題、靈活運用知識解答問題能力題目難度中等．