Question

【題目】當溫度高于 500 K 時，科學家成功利用二氧化碳和氫氣合成了乙醇，這在節能減排、降低碳排放方面具有重大意義。

(1)該反應的化學方程式為________________；其平衡常數表達式為K＝________。

(2)在恒容密閉容器中，判斷上述反應達到平衡狀態的依據是________。

a．體系壓強不再改變 b．H2的濃度不再改變 c．氣體的密度不隨時間改變 d．單位時間內消耗 H2和 CO2的物質的量之比為 3∶1

(3)已知：1 g 氫氣完全燃燒生成液態水，放出 143 kJ 熱量；23 g 乙醇完全燃燒生成液態水和二氧化碳，放出 650 kJ 熱量，則氫氣和乙醇的燃燒熱的比值為________。(要求計算出數值)

(4)在一定壓強下，測得由 CO2制取 CH3CH2OH 的實驗數據中，起始投料比、溫度與 CO2的轉化率的關系如圖所示，根據圖中數據

①降低溫度，平衡向________方向移動。

②在 700 K、起始投料比 n(H2)/n(CO2)＝1.5 時，H2的轉化率為________。

③在 500 K、起始投料比n(H2)/n(CO2)＝2 時， 達到平衡后 H2的濃度為a mol·L－1，則達到平衡時 CH3CH2OH 的濃度為________。

Answer 1

【答案】2CO2 +6H2C2H5OH+3H2O c(C2H5OH)·c3(H2O)/[c6(H2)·c2(CO2)] ab 0.22 正反應 40% 1.5a mol/L

【解析】

(1)根據二氧化碳和氫氣在高于500K時合成了乙醇及原子守恒書寫化學方程式，化學平衡常數為生成物濃度的化學計量數次冪的乘積與各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積的比值解題；

(2)在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變，所有物質均為氣體，故在恒容狀態下氣體的密度恒為定值，根據化學方程式可知，任何單位時間內消耗H2和CO2的物質的量之比均為3:1，以此分析；

(3)根據在25℃，101kPa時，lmol某物質完全燃燒時生成穩定產物的反應熱，稱為該物質的燃燒熱，分別寫出氫氣和乙醇燃燒的熱化學方程式，并進行計算；

(4)①由圖可知，橫坐標為投料比，縱坐標為CO2的轉化率，曲線為等溫線，則相同投料比時溫度低對應的CO2的轉化率大，以此分析①；②由圖可知，在700K，起始投料比n(H2)/n(CO2)=1.5時，二氧化碳轉化率為20%，令CO2、H2的起始物質的量分別為1mol、1.5mol，轉化的二氧化碳為0.2mol，根據化學方程式可知轉化的氫氣為0.6mol，進而計算H2的轉化率；③設起始時c(CO2)=xmol·L-1，則起始時c(H2)=2xmol·L-1，利用三段式分析解答。

(1)該反應的化學方程式為：2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)；該反應的平衡常數表達式為K=c(C2H5OH)·c3(H2O)/[c6(H2)·c2(CO2)]；

(2)a、該反應為氣體分子數減小的化學反應，當體系的壓強不再改變時，反應達到平衡狀態，故a符合題意；

b、H2的濃度不再改變，說明反應達到平衡狀態，故b符合題意；

c、由于在500K時，所有物質均為氣體，故在恒容狀態下氣體的密度恒為定值，密度不變不能說明反應達到平衡狀態，故c不符合題意；

d、根據化學方程式可知，任何單位時間內消耗H2和CO2的物質的量之比均為3:1，故d不符合題意；

綜上所述，本題應選ab；

(3)由題給信息可分別寫出氫氣和乙醇燃燒熱表示的熱化學方程式：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)△H=-286kJ/mol、CH3CH2OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1300kJ/mol，從而可求得氫氣和乙醇的燃燒熱的比值為286kJ/mol:1300kJ/mol=0.22；

(4)①由圖可知，橫坐標為投料比，縱坐標為CO2的轉化率，曲線為等溫線，則相同投料比時溫度低對應的CO2的轉化率大，即降低溫度平衡向正反應方向移動；

②由圖可知，在700K，起始投料比n（H2）/n（CO2）=1.5時，二氧化碳轉化率為20%，令CO2、H2的起始物質的量分別為1mol、1.5mol，轉化的二氧化碳為1mol×20%=0.2mol，根據化學方程式可知轉化的氫氣為0.2mol×3=0.6mol，H2的轉化率為0.6mol÷1.5mol×100%=40%；

③設起始時c(CO2)=xmol·L-1，則起始時c(H2)=2xmol·L-1，有

2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

起始(mol/L) x 2x 0 0

轉化(mol/L) 0.6x 1.8x 0.3x 0.9x

平衡(mol/L) 0.4x 0.2x 0.3x 0.9x

0.2x=a，得x=5a，平衡時c(CH3CH2OH)=0.3xmol·L-1=1.5amol·L-1。