Question

【題目】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，發(fā)生的主反應(yīng)如下：

i.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1

ii.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2

iii.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H3

回答下列問(wèn)題：

化學(xué)鍵	H-H	C-O	CO	H-O	C-H
E/（kJ·mol-1）	436	343	1076	465	413

（1）已知反應(yīng)ii中的相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能（“CO”表示CO的化學(xué)鍵）數(shù)據(jù)見表：由此計(jì)算△H2=___kJ·mol-1。

（2）反應(yīng)i、ii、iii對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)K1、K2、K3之間的關(guān)系式為___。

（3）一定條件下，在2L的恒容密閉容器中充入1molCO2和2molH2發(fā)生反應(yīng)i。圖1是反應(yīng)體系中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線。

①當(dāng)溫度為500K時(shí)，該反應(yīng)10min達(dá)到平衡。0～10min時(shí)間內(nèi)用CH3OH表示該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率為___。

②若改充入1molCO2和3mol H2，則圖1中的曲線會(huì)___（填“上移”或“下移”）。

（4）某溫度下在容積為2L的密閉容器中充入1molCO和2molH2合成甲醇，發(fā)生反應(yīng)ii，各組分物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。

①5min至10min時(shí)速率變化的原因可能是___；

②若該反應(yīng)在恒溫恒壓下進(jìn)行，能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是___；

A．單位時(shí)間內(nèi)消耗CO的濃度與生成CH3OH的濃度相等

B．混合氣體的密度不變

C．CO和H2的體積分?jǐn)?shù)之比不變

D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變

③15min時(shí)，增加反應(yīng)體系中CO的物質(zhì)的量（其他條件不變），至20min時(shí)反應(yīng)重新達(dá)到平衡；則新加入的CO的物質(zhì)的量為___mol（保留兩位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】-99 K1=K2·K3（或者K3=） 0.03mol/(L·min) 上移 增大了壓強(qiáng) BD 0.53

【解析】

(1)根據(jù)焓變△H=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能；

(2)反應(yīng)i可由反應(yīng)ii和反應(yīng)iii加和得到，據(jù)此計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)間的關(guān)系；

(3)①500K時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為60%，起始時(shí)充入1molCO2，根據(jù)v=計(jì)算CO2的消耗速率，再根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算CH3OH的生成速率；

②若改充入1molCO2和3molH2，符合化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大；

(4)①反應(yīng)②為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，結(jié)合焓變和壓強(qiáng)變化對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的改變考慮；

②反應(yīng)在恒溫恒壓下進(jìn)行，隨著反應(yīng)進(jìn)行，體系的體積發(fā)生變化，據(jù)此逐項(xiàng)分析；

③15min時(shí)僅增加CO的物質(zhì)的量而不改變其他條件，根據(jù)圖象，20min達(dá)到平衡時(shí)，H2的物質(zhì)的量為0.6mol，據(jù)此列式計(jì)算。

(1)對(duì)于反應(yīng)：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，△H=E(C≡O(shè))+2E(H-H)-3E(C-H)-E(C-O)-E(O-H)=-99kJ/mol；

(2)反應(yīng)i可由反應(yīng)ii和反應(yīng)iii加和得到，則化學(xué)平衡常數(shù)的關(guān)系為：K1=K2K3；

(3)①500K時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為60%，起始時(shí)充入1molCO2，則CO2的消耗速率為v(CO2)==0.03mol/(Lmin)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比，則CH3OH的生成速率為v(CH3OH)=0.03mol/(Lmin)；

②若改充入1molCO2和3molH2，符合化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，則曲線上移；

(4)①反應(yīng)②為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，反應(yīng)②焓變值小于0，則反應(yīng)②為放熱反應(yīng)，根據(jù)圖象，5-10min內(nèi)CO、H2的消耗量與CH3OH的生成量滿足化學(xué)計(jì)量比，因此可以判斷改變的條件不是濃度項(xiàng)，對(duì)比0-5min，5-10min內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速率是增加的，考慮升高溫度和增大壓強(qiáng)，由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度導(dǎo)致化學(xué)平衡左移不符合圖象，因此采取的措施為增大壓強(qiáng)；

②反應(yīng)在恒溫恒壓下進(jìn)行，隨著反應(yīng)進(jìn)行，體系的體積發(fā)生變化，據(jù)此逐項(xiàng)分析；

A．單位時(shí)間內(nèi)消耗CO的濃度與生成CH3OH的濃度相等，單位時(shí)間內(nèi)消耗CO的濃度始終與單位時(shí)間內(nèi)生成CH3OH的濃度相等，不能判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故A錯(cuò)誤；

B．混合氣體的密度為ρ＝，反應(yīng)前后遵循質(zhì)量守恒，m不變，反應(yīng)為恒壓容器，隨著反應(yīng)進(jìn)行容器體積發(fā)生改變，因此混合氣體的密度隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生改變，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故B正確；

C．體積分?jǐn)?shù)為φ＝，起始時(shí)充入的CO和H2是按照化學(xué)計(jì)量比充入的，反應(yīng)過(guò)程中CO和H2也是按照化學(xué)計(jì)量比反應(yīng)的，因此整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中CO和H2的體積分?jǐn)?shù)之比不變，不能判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故C錯(cuò)誤；

D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為M=，反應(yīng)前后混合氣體質(zhì)量不變，混合氣體總物質(zhì)的量發(fā)生改變，因此混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量隨著反應(yīng)的進(jìn)行而改變，當(dāng)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不發(fā)生改變時(shí)可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故D正確；

故答案為：B、D；

③15min時(shí)僅增加CO的物質(zhì)的量而不改變其他條件，根據(jù)圖象，20min達(dá)到平衡時(shí)，H2的物質(zhì)的量為0.6mol，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變，該溫度下，反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為K===L/mol，增加部分CO后，設(shè)初始時(shí)CO的物質(zhì)的量為xmol，反應(yīng)消耗了H2的物質(zhì)的量為0.2mol，則再次達(dá)到平衡時(shí)，c(CO)=mol/L，c(CH3OH)=0.35mol/L，K==L/mol，解得x=0.93，則增加的CO的物質(zhì)的量為0.93mol-0.4mol=0.53mol。