Question

【題目】碳及其化合物在化工生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。

I．為解決大氣中CO2的含量增大的問題，某科學(xué)家提出如下構(gòu)想：把工廠排出的富含CO2的廢氣經(jīng)凈化吹入碳酸鉀溶液吸收，然后再把CO2從溶液中提取出來，在合成塔中經(jīng)化學(xué)反應(yīng)使廢氣中的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂霞状肌２糠旨夹g(shù)流程如下:

（1）吸收池中反應(yīng)的化學(xué)方程式為K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，△H<0。該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，從平衡移動原理分析，低溫有利于提高原料氣的平衡轉(zhuǎn)化率。而實(shí)際生產(chǎn)中采用300℃的溫度，其原因是 ____________________，_________________________

（2）已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol

如將CO2與H2以1:4的體積比混合，在適當(dāng)?shù)臈l件下可制得CH4。寫出CO2(g)與H2(g)反應(yīng)生CH4(g)與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式_____________。

II．某興趣小組模擬工業(yè)合成甲醇的反應(yīng):CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在容積固定為2L的密閉容器中充入1mol CO和2mol H2，加入合適的催化劑（催化劑體積忽略不計(jì)）后開始反應(yīng)。測得容器內(nèi)的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化如下:

時(shí)間/min	0	5	10	15	20	25
壓強(qiáng)/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

（1）從反應(yīng)開始到20min時(shí)，以CO表示反應(yīng)速率為___________________

（2）下列描述能說明反應(yīng)達(dá)到平衡是_______

A.裝置內(nèi)CO和H2的濃度比值不再改變

B.容器內(nèi)氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變

C.容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)保持不變

D.容器內(nèi)氣體密度保持不變

（3）該溫度下平衡常數(shù)K=_______，若達(dá)到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時(shí)平衡常數(shù)K值將_________ (填“增大”、“減小”或“不變”)

（4）該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1mol CO和2mol H2，此時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率將_____(填“增大”、“減小”或“不變”)

Answer 1

【答案】提高反應(yīng)速率 增大催化劑催化活性 CO2(g) +4H2(g)=CH4(g) +2H2O(l) △H=-252.9kJ·mol-1 0.0125mol·L-1·min-1 BC 4 不變 增大

【解析】

I（1）根據(jù)工藝流程可知，合成塔內(nèi)反應(yīng)是氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇和水；工業(yè)生產(chǎn)條件選擇要考慮轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、對催化劑的影響、材料、成本等多方面綜合考慮；

(2)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol，②2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；

II. (1)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，利用三段式進(jìn)行分析；

(2)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，平衡時(shí)各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，以及其它物理量的變化情況，可由此進(jìn)行判斷；

(3)平衡常數(shù)是利用平衡狀態(tài)下生成物濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物濃度的冪次方乘積得到；平衡常數(shù)隨溫度變化；

(4)該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1molCO22molH2，相當(dāng)于增大平衡壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向進(jìn)行。

I（1）溫度影響催化劑的活性，除考慮溫度對反應(yīng)速率的影響外，還主要考慮了催化劑的催化活性，無論是否加入催化劑，反應(yīng)熱都不變，只與反應(yīng)物與生成物有關(guān)，

故答案為：提高反應(yīng)速率；增大催化劑催化活性；

(2)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol，

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol，

則CO2(g)與H2(g)反應(yīng)生成CH4(g)與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式可

根據(jù)蓋斯定律②×2①得CO2(g) +4H2(g)=CH4(g) +2H2O(l) △H=-252.9kJ·mol-1，

故答案為：CO2(g) +4H2(g)=CH4(g) +2H2O(l) △H=-252.9kJ·mol-1；

II. (1)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，

根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則，解得x=0.25mol/L，從反應(yīng)開始到20min時(shí)，CO表示的平均反應(yīng)速率v=△c÷△t=0.25mol/L÷20min=0.0125mol/(Lmin)，

故答案為：0.0125mol·L-1·min-1；

(2)反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，依據(jù)平衡移動原理分析判斷

A.開始充入 1mol CO和2mol H2，濃度之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，轉(zhuǎn)化的一氧化碳和氫氣的濃度之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以任意時(shí)刻CO和H2的濃度比值不會改變，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；

B.容器內(nèi)氣體的平均相對分子質(zhì)量數(shù)值上等于氣體的平均摩爾質(zhì)量等于總質(zhì)量除以總物質(zhì)的量，質(zhì)量是守恒的保持不變，但是n變化，當(dāng)氣體的平均摩爾質(zhì)量不變了，證明達(dá)到平衡，故B正確；

C.反應(yīng)是前后氣體體積變化的反應(yīng)，容器中氣體的壓強(qiáng)保持不變，證明達(dá)到了平衡，故C正確；

D.該反應(yīng)在恒容條件下進(jìn)行，反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒，所以反應(yīng)過程中密度始終保持不變，所以密度不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；

故答案為：BC；

(3)從反應(yīng)開始到20min時(shí)，設(shè)CO的濃度變化量是x，

根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則，解得x=0.25mol/L，K=0.25÷(0.25×0.52)=4，平衡常數(shù)隨溫度變化，若達(dá)到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時(shí)平衡常數(shù)K值將不變，

故答案為：4；不變；

(4) CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，該反應(yīng)達(dá)到平衡后，再向容器中充入1mol CO和2mol H2，相當(dāng)于增大平衡壓強(qiáng)，平衡正向進(jìn)行，CO的轉(zhuǎn)化率將增大，

故答案為：增大。