Question

【題目】研究減少CO2排放是一項重要課題。CO2經催化加氫可以生成低碳有機物，主要有以下反應：

反應Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) △H1＝－49.6 kJ/mol

反應Ⅱ：CH3OCH3(g)＋H2O(g)2CH3OH(g) △H2＝＋23.4 kJ/mol

反應Ⅲ：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) △H3

（1）△H3＝____kJ/mol。

（2）恒溫恒容條件下，在密閉容器中通入等物質的量的CO2和H2，發(fā)生反應I。下列描述能說明反應I達到平衡狀態(tài)的是___（填序號）。

A．反應體系總壓強保持不變

B．容器內的混合氣體的密度保持不變

C．水分子中斷裂2NA個H-O鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H-H鍵

D．CH3OH和H2O的濃度之比保持不變

（3）反應II在某溫度下的平衡常數為0.25，此溫度下，在密閉容器中加入等物質的量的CH3OCH3(g)和H2O(g)，反應到某時刻測得各組分濃度如下：

物質	CH3OCH3(g)	H2O(g)	CH3OH(g)
濃度/mol·L－1	1.8	1.8	0.4

此時v正___v逆（填“＞”、“＜”或“＝”），當反應達到平衡狀態(tài)時，混合氣體中CH3OH體積分數(CH3OH)% ＝___%。

（4）在某壓強下，反應III在不同溫度、不同投料比時，CO2的平衡轉化率如圖所示。T1溫度下，將6mol CO2和12mol H2充入2 L的密閉容器中，5min后反應達到平衡狀態(tài)，則0～5min內的平均反應速率v(CH3OCH3)＝____；KA、KB、KC三者之間的大小關系為____。

（5）恒壓下將CO2和H2按體積比1：3混合，在不同催化劑作用下發(fā)生反應I和反應III，在相同的時間段內CH3OH的選擇性和產率隨溫度的變化如圖。其中：CH3OH的選擇性＝×100%

①溫度高于230℃，CH3OH產率隨溫度升高而下降的原因是_____。

②在上述條件下合成甲醇的工業(yè)條件是____。

p>A．210℃ B．230℃ C．催化劑CZT D．催化劑CZ(Zr－1)T

Answer 1

【答案】－122.6 AC ＞ 20 0.18mol·L1·min1 KA＝KC＞KB 反應I的△H＜0溫度升高，使CO2轉化為CH3OH的平衡轉化率下降 BD

【解析】

（1）根據蓋斯定律以及熱化學方程式進行計算；

（2）根據化學平衡狀態(tài)的判斷標志進行判斷；

（3）根據濃度商和化學平衡常數的大小關系判斷反應進行的方向；設未知數利用化學平衡常數列出三段式解方程，進而計算體積分數；

（4）根據圖像確定CO2的平衡轉化率，進而計算CH3OCH3的生成量，再利用化學反應速率的計算公式計算v(CH3OCH3)；根據化學平衡常數只與溫度有關，溫度不變，化學平衡常數不變，得出KA＝KC，再根據該反應為正向放熱的反應，降溫平衡逆向移動，結合圖像判斷T1、T2的大小關系，從而得出KA、KC、KB三者的關系；

（5）反應I的△H＜0，升溫平衡逆向移動，CO2轉化轉化率降低，CH3OH產率下降，再結合圖像判斷合成甲醇的工業(yè)條件。

（1）根據蓋斯定律知，反應III=反應Ⅰ×2-反應Ⅱ，因此，△H3=△H1×2-△H2=－49.6 kJ/mol×2-23.4 kJ/mol=-122.6 kJ/mol；

故答案為：－122.6；

（2）反應條件為恒溫恒容，反應I：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)為反應前后氣體物質的量減少的反應，

A. 該反應為反應前后氣體物質的量減少的反應，隨著反應的進行氣體物質的量減少，體系總壓強減小，因此當反應體系總壓強保持不變時能說明反應I達到平衡狀態(tài)，A項正確；

B. 根據質量守恒定律知混合氣體的總質量不變，容器容積也不變，則隨著反應的進行，容器內的混合氣體的密度始終保持不變，因此當反容器內的混合氣體的密度保持不變時不能說明反應I達到平衡狀，B項錯誤；

C. 當水分子中斷裂2NA個H－O鍵時會有3NA個H－H鍵形成，即生成3mol氫分子，若同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵，即消耗3mol氫分子，則氫氣的物質的量保持不變，反應達到平衡狀態(tài)，因此水分子中斷裂2NA個H－O鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵能說明反應I達到平衡狀，C項正確；

D. 反應達到平衡狀態(tài)時各物質的物質的量濃度保持不變，但CH3OH和H2O的濃度之比始終等于1:1，因此CH3OH和H2O的濃度之比保持不變不能說明反應I達到平衡狀，D項正確；

故答案為：AC；

（3）此刻反應的濃度商，因此反應向正反應方向進行，v正>v逆；

設起始時CH3OCH3和H2O的物質的量均為a mol，反應達到平衡狀態(tài)時，CH3OCH3的轉化量為x mol，則可列出三段式：

CH3OCH3(g) ＋ H2O(g)2CH3OH(g)

起始（mol） a mol a mol 0

轉化（mol） x mol x mol 2x mol

平衡（mol） (a-x)mol (a-x)mol 2x mol

則化學平衡常數，解得：x=0.2a，則混合氣體中CH3OH的物質的量為0.4a，混合氣體總物質的量不變仍為2a，因此混合氣體中CH3OH體積分數；

故答案為：＞；20；

（4）由圖可知，在T1溫度下，將6 molCO2和12molH2充入2 L的密閉容器中時，CO2的平衡轉化率為60%，因此CO2的轉化量為6 mol×60%=3.6，則生成CH3OCH3的物質的量為1.8mol，；

化學平衡常數只與溫度有關，溫度不變，化學平衡常數不變，則KA＝KC，由圖像可知，當投料比相同時，T1溫度下的平衡轉化率較大，該反應為正向放熱的反應，降溫平衡正向移動，化學平衡常數增大，因此T1<T2，KA＝KC＞KB；

故答案為：0.18mol·L1·min1；KA＝KC＞KB；

（5）①反應I的△H＜0，在相同的時間段內反應，230℃反應達到平衡狀態(tài)，升溫平衡逆向移動，CO2轉化轉化率降低，CH3OH產率下降；

故答案為：反應I的△H＜0溫度升高，使CO2轉化為CH3OH的平衡轉化率下降；

②由圖像可知在230℃下CH3OH的轉化率最高，催化劑CZ(Zr－1)T對CH3OH的選擇性最好，因此合成甲醇的工業(yè)條件是230℃，催化劑CZ(Zr－1)T。

故答案為：BD。