Question

【題目】碳及其化合物在化工生產中有著廣泛的應用。

I．為解決大氣中CO2的含量增大的問題，某科學家提出如下構想：把工廠排出的富含CO2的廢氣經凈化吹入碳酸鉀溶液吸收，然后再把CO2從溶液中提取出來，在合成塔中經化學反應使廢氣中的CO2轉變為燃料甲醇。部分技術流程如下:

（1）吸收池中反應的化學方程式為K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，△H<0。該反應為可逆反應，從平衡移動原理分析，低溫有利于提高原料氣的平衡轉化率。而實際生產中采用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，在適當的條件下可制得CH4。寫出CO2(g)與H2(g)反應生CH4(g)與液態水的熱化學方程式_____________。

II．某興趣小組模擬工業合成甲醇的反應: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）后開始反應。測得容器內的壓強隨時間變化如下:

時間/min	0	5	10	15	20	25
壓強/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

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

（2）下列描述能說明反應達到平衡是_______

A.裝置內CO和H2的濃度比值不再改變

B.容器內氣體的平均摩爾質量保持不變

C.容器內氣體的壓強保持不變

D.容器內氣體密度保持不變

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

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

Answer 1

【答案】提高反應速率 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）根據工藝流程可知，合成塔內反應是氫氣與二氧化碳反應生成甲醇和水；工業生產條件選擇要考慮轉化率、反應速率、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，根據蓋斯定律構造目標熱化學方程式；

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

(2)反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發生變化，以及其它物理量的變化情況，可由此進行判斷；

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

(4)該反應達到平衡后，再向容器中充入1molCO22molH2，相當于增大平衡壓強，平衡向氣體體積減小的方向進行。

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

故答案為：提高反應速率；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)反應生成CH4(g)與液態水的熱化學方程式可

根據蓋斯定律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)從反應開始到20min時，設CO的濃度變化量是x，

根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則，解得x=0.25mol/L，從反應開始到20min時，CO表示的平均反應速率v=△c÷△t=0.25mol/L÷20min=0.0125mol/(Lmin)，

故答案為：0.0125mol·L-1·min-1；

(2)反應是氣體體積減小的放熱反應，依據平衡移動原理分析判斷

A.開始充入 1mol CO和2mol H2，濃度之比等于化學計量數之比，轉化的一氧化碳和氫氣的濃度之比等于化學計量數之比，所以任意時刻CO和H2的濃度比值不會改變，不能說明反應達到平衡狀態，故A錯誤；

B.容器內氣體的平均相對分子質量數值上等于氣體的平均摩爾質量等于總質量除以總物質的量，質量是守恒的保持不變，但是n變化，當氣體的平均摩爾質量不變了，證明達到平衡，故B正確；

C.反應是前后氣體體積變化的反應，容器中氣體的壓強保持不變，證明達到了平衡，故C正確；

D.該反應在恒容條件下進行，反應前后氣體質量守恒，所以反應過程中密度始終保持不變，所以密度不變不能說明反應達到平衡狀態，故D錯誤；

故答案為：BC；

(3)從反應開始到20min時，設CO的濃度變化量是x，

根據反應前后壓強之比等于物質的量之比，則，解得x=0.25mol/L，K=0.25÷(0.25×0.52)=4，平衡常數隨溫度變化，若達到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時平衡常數K值將不變，

故答案為：4；不變；

(4) CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO和2mol H2，相當于增大平衡壓強，平衡正向進行，CO的轉化率將增大，

故答案為：增大。