Question

【題目】甲醇是一種重要的試劑，有著廣泛的用途，工業(yè)上可利用CO2制備甲醇。

(1) 間接法:用CH4與CO2反應制H2和CO，再利用H2和CO化合制甲醇。

已知:

① 2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l) △H1=-1450.0KJ/mol

② 2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) △H2=-566.0KJ/mol

③ 2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H3=-571.6KJ/mol

則H2和CO制液態(tài)甲醇的熱化學方程式為_________。

(2)直接法: H2和CO2在特定條件下制甲醇的反應為:3H2(g)+CO2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。在某固定體積的密閉容器中充入一定量的H2和CO2，在催化劑、一定溫度作用下(前30分鐘內溫度為T0 ℃)，測得反應物濃度與時間的關系如下圖所示。

回答下列問題:

①該反應的化學平衡常數(shù)表達式K=_________;在T0℃反應達到平衡時，甲醇的體積分數(shù)為_________。(保留三位有效數(shù)字)

②保持溫度和體積不變，下列情況可說明反應一定達到平衡狀態(tài)的是_______。(填字母代號)

a.混合氣體密度不變

b.反應體系壓強不變

c.H2和 CO2的濃度之比為3:1

d.每斷裂3mol的H-H鍵同時斷裂3molC-H鍵

③其他條件不變，溫度調至T1℃ (T1>T0)，當反應達到平衡時測得平衡常數(shù)為K1(K10)，則該反應為_____________(填“吸熱反應”、“放熱反應”)。

④在30分鐘時，通過改變CO2的濃度(由0.5mol/L增至1.0mol/L)，根據(jù)圖示變化，通過計算說明只改變該條件能否建立45分鐘時的平衡狀態(tài)(K2)___________。(相關結果保留三位有效數(shù)字)

(3)甲醇可作燃料電池的原料，若電解質溶液為鹽酸，當外電路轉移12mol電子時(不考慮電子損失)，將負極所產(chǎn)生的氣體全部通入到2L 1.5mol/L的NaOH溶液中，充分反應，則溶液中所有離子的物質的量濃度由大到小的順序為______________。

Answer 1

【答案】 CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l) △H=-129.6KJ/mol c(H2O)×c(CH3OH)/[c(CO2)×c(H2)3] 16.7% b d 放熱反應 若只改變圖示CO2的濃度，溫度不變，K0=K2，實際K0= 0.5×05/0.5×1.53=0.148，而K2=0.75×0.75/0.75×0.753=1.78，K2> K0，故只增大CO2的濃度不能建立圖示45分鐘時的化學平衡狀態(tài)(還得降低反應溫度) C(Na+)>C(HCO3-)>C(CO32-)>C(OH-)>C(H+)

【解析】本題主要考查化學平衡狀態(tài)。

(1)將反應②/2+③-①/2得H2和CO制液態(tài)甲醇的熱化學方程式為CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l) △H=-129.6KJ/mol。

(2)①該反應的化學平衡常數(shù)表達式K=c(H2O)×c(CH3OH)/[c(CO2)×c(H2)3];在T0℃反應達到平衡時，c(H2) =1.50mol/L，c(CO2) =0.50mol/L，c(CH3OH) =c(H2O) =0.5mol/L，甲醇的體積分數(shù)為0.50/(1.50+0.50+0.50+0.50)=16.7%。

②a.氣體的質量守恒、體積不變，所以混合氣體密度始終不變，不可說明反應一定達到平衡狀態(tài)；b.該反應氣體物質的量有變化，反應過程中體系壓強隨著氣體物質的量的變化而變化，當反應體系壓強不變時，可以說明反應一定達到平衡狀態(tài)；c.H2和 CO2的濃度之比與化學平衡狀態(tài)之間沒有一定關系，不可說明反應一定達到平衡狀態(tài)；d.每斷裂3mol的H-H鍵同時斷裂3molC-H鍵說明v正(H2) =3v逆c(CH3OH)= v逆(H2)，可說明反應一定達到平衡狀態(tài)。故選bd。

③升溫平衡左移，則該反應為放熱反應。

④若只改變圖示CO2的濃度，溫度不變，在30分鐘時的平衡常數(shù)K1=0.5×0.5/0.5×1.53=0.148，45分鐘時的平衡常數(shù)K2=0.75×0.75/0.75×0.753=1.78，K1≠K2，故只增大CO2的濃度不能建立圖示45分鐘時的化學平衡狀態(tài)。

(3)負極反應為CH3OH-6e－+H2O=CO2↑+6H+，當外電路轉移12mol電子時產(chǎn)生2molCO2，將負極所產(chǎn)生的CO2氣體全部通入到2L1.5mol/L的NaOH溶液中，該溶液含有3molNaOH，充分反應，2CO2+3NaOH=Na2CO3 +NaHCO3，Na2CO3和NaHCO3水解呈堿性且水解程度Na2CO3>NaHCO3，則溶液中所有離子的物質的量濃度由大到小的順序為C(Na+)>C(HCO3-)>C(CO32-)>C(OH-)>C(H+)。