Question

【題目】甲醇是重要的化工原料，又可作為燃料。工業上利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇，發生的主反應如下：

①CO(g)+2H2 (g)CH3OH(g) △H1；

②CO2 (g)+3H2 (g)CH3OH(g)+H2O(g) △H=－58kJ/mol；

③CO2 (g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H==+41k J/ mol。

回答下列問題：

(1)已知反應①中相關的化學鍵鍵能數據如下表：

化學鍵	H—H	C－O	C≡O	H－O	C—H
E/(kJ·mol－1)	436	343	1076	465	x

則x=___________。

(2)合成氣組成n(H2)/n(CO+ CO2)=2.60時，體系中的CO平衡轉化率(α)與溫度和壓強的關系如圖甲所示。α(CO)值隨溫度升高而___________(填“增大”或“減小”)，其原因是_____；圖中的壓強由大到小為___________，其判斷理由是_____________。

(3)若將1mol CO2和2molH2充入容積為2L的恒容密閉容器中，在兩種不同溫度下發生反應②。測得CH3OH的物質的量隨時間的變化如圖所示。

①曲線I、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為K1___________KⅡ(填“＞”“=”或“＜”)。

②一定溫度下，下列能判斷該反應達到化學平衡狀態的是___________(填序號)。

a.容器中壓強不變 b.甲醇和水蒸氣的體積比保持不變

c.v正(H2)=3v逆(CH3OH) d.2個C=0斷裂的同時有6個H－H斷裂

③若5min后反應達到平衡狀態，H2的轉化率為90%，則用CO2表示的平均反應速率為____，該溫度下的平衡常數為___________；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是___________。(填序號)。

a.縮小反應容器的容積 b.使用合適的催化劑

c.充入He d.按原比例再充入CO2和H2

Answer 1

【答案】413 減小 反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動 ①的正反應為氣體總分子數減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡正向移動，CO的平衡轉化率增大，而反應③為氣體總分子數不變的反應，產生CO的量不受壓強的影響，因此增大壓強時，CO的轉化率提高 > ac 0.06mol/（L·min） 450 ad

【解析】

（1）根據蓋斯定律計算△H1，再由反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能計算鍵能；

2）由圖可知，壓強一定時，隨溫度的升高，CO的轉化率減小，反應①正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，平衡體系中CO的量增大，反應③為吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，又使平衡體系中CO的增大，總結果，隨溫度升高，CO的轉化率減小；相同溫度下，反應③前后氣體分子數不變，壓強改變不影響其平衡移動，反應①正反應為氣體分子數減小的反應，增大壓強，有利于平衡向正反應方向移動，CO的轉化率增大，故增大壓強有利于CO的轉化率升高；

(3)①根據題給圖象分析可知，T2先達到平衡，則T2>T1；

②依據化學平衡狀態判斷的標志判斷；

③建立三段式，由三段式計算反應速率和平衡常數；依據反應特征判斷。

(1) 根據蓋斯定律：②-③=①可得①，故△H1=△H2-△H3=-58kJ．mol-1-（+41kJ．mol-1）=-99kJ．mol-1，由反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能可得-99kJ．mol-1=（1076kJ．mol-1+2×436kJ．mol-1）-（3×x+343+465）kJ．mol-1，解得x=413 kJ．mol-1，故答案為：413；

（2）由圖可知，壓強一定時，隨溫度的升高，CO的轉化率減小，反應①正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，平衡體系中CO的量增大，反應③為吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，又使平衡體系中CO的增大，總結果，隨溫度升高，CO的轉化率減小；相同溫度下，反應③前后氣體分子數不變，壓強改變不影響其平衡移動，反應①正反應為氣體分子數減小的反應，增大壓強，有利于平衡向正反應方向移動，CO的轉化率增大，故增大壓強有利于CO的轉化率升高，故壓強P3>P2>P1，故答案為：反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動；P3>P2>P1；①的正反應為氣體總分子數減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡正向移動，CO的平衡轉化率增大，而反應③為氣體總分子數不變的反應，產生CO的量不受壓強的影響，因此增大壓強時，CO的轉化率提高；

(3)①根據題給圖象分析可知，T2先達到平衡，則T2>T1，由溫度升高，平衡逆向移動，平衡常數減小，則K1>KⅡ，故答案為：>；

②a. 反應②為氣體體積減小的反應，容器中壓強不變說明該反應達到化學平衡狀態，故正確；

b.甲醇和水蒸氣均為生成物，無論反應是否達到平衡，甲醇和水蒸氣的體積比均保持不變，故錯誤；

c.v正(H2)=3v逆(CH3OH)說明正反應速率等于逆反應速率，說明該反應達到化學平衡狀態，故正確；

d.2個C=0斷裂代表正反應速率，6個H－H斷裂也代表正反應速率，不能說明正反應速率等于逆反應速率，不能說明該反應達到化學平衡狀態，故錯誤；

故選ac，故答案為：ac；

③若5min后反應達到平衡狀態，H2的轉化率為90%，由此建立如下三段式：

CO2 (g)+3H2 (g)CH3OH(g)+H2O(g)

起（mol/L） 0.5 1 0 0

變（mol/L） 0.3 0.9 0.3 0.3

平（mol/L） 0.2 0.1 0.3 0.3

則用CO2表示的平均反應速率為0.3 mol/L/5min=0.06mol/（L·min）,反應的化學平衡常數K=c(CH3OH)c(H2O)/c(CO2)c3(H2)= 0.3 mol/L×0.3 mol/L/(0.2mol/L)×(0.1mol/L)3=450；縮小反應容器的容積，增大壓強，平衡右移，甲醇產率增大；使用合適的催化劑，平衡不移動，甲醇產率不變；恒容充入He，各物質濃度不變，平衡不移動，甲醇產率不變；按原比例再充入CO2和H2，相當于增大壓強增大壓強，平衡右移，甲醇產率增大，故選ad，故答案為：0.06mol/（L·min）；450；ad。