Question

【題目】甲醇是有機化工原料和優質燃料，主要應用于精細化工、塑料等領域，也是農藥、醫藥的重要原料之一。回答下列問題：

(1)工業上利用CO2和H2反應合成甲醇。已知25℃ 101kPa下：

H2(g)+ O2(g)═H2O(g) △H=﹣242kJmol﹣1

CH3OH(g)+ O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H2=﹣676kJmol﹣1

①寫出CO2和H2反應生成CH3OH(g)與H2O(g)的熱化學方程式______

②下列表示該合成甲醇反應的能量變化示意圖中正確的是______(填字母)

a. b. c. d.

③合成甲醇所需的H2可由下列反應制取：H2O(g)+CO(g)H2(g)+CO2(g)，某溫度下該反應的平衡常數K=1，若起始時c(CO)=1molL﹣1，c(H2O)=2molL﹣1，則達到平衡時H2O的轉化率為______

(2)CO和H2反應也能合成甲醇：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H=﹣90.1kJmol﹣1，在250℃下，將一定量的CO和H2投入10L的恒容密閉容器中，各物質濃度(molL﹣1)變化如下表所示(前6min沒有改變條件)

	2min	4min	6min	8min
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	……
H2	x	0.12	0.12	0.2	……
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	……

①x=______，250℃時該反應的平衡常數K=______

②若6～8min時只改變了一個條件，則改變的條件是______，第8min時，該反應是否達到平衡狀態？______(填“是”或“不是”)

③該合成反應的溫度一般控制在240～270℃，選擇此溫度的原因是：

Ⅰ.此溫度下的催化劑活性；

Ⅱ.______

(3)甲醇在催化劑條件下可以直接氧化成甲酸，在常溫下，20.00mL 0.1000molL﹣1NaOH溶液與等體積、等濃度甲酸溶液混合后所得溶液的pH______(填“＜”“＞”或“=”)原因是______(用離子方程式表示)

Answer 1

【答案】CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol a 33.3% 0.14 46.3 增加了1 mol氫氣 不是 溫度低，反應速率慢，單位時間內的產量低；而該反應為放熱反應，溫度過高，轉化率降低； ＞7 HCOO﹣+H2OHCOOH+OH﹣

【解析】

（1）①據已知化學方程式，根據蓋斯定律計算；

②該反應是放熱反應，反應物總能量大于生成物總能量，物質越穩定，其能量越小；

③利用三段式法計算平衡狀態時各物質的平衡濃度；

（2）①根據表中2min和4min時各種物質的濃度的變化量，依據轉化量之比等于方程式化學計量數之比可求出x值；該反應的平衡常數表達式K=，將在250℃下，4min時各物質平衡濃度代入計算；

②根據6min到8min時各物質濃度的變化來確定改變條件；求出第8min時的濃度商Qc，與250℃時K做比較，若Qc=K反應達到平衡狀態；

③反應條件的選擇既要考慮限度又要考慮速率，二者應兼顧；

（3）甲酸鈉溶液因為甲酸根的水解顯堿性。

(1)① H2(g)+ O2(g)═H2O(g) △H=﹣242kJmol﹣1①

CH3OH(g)+ O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H2=﹣676kJmol﹣1②

將方程式3×①-②得CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol，

故答案為：CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol；

②該反應是放熱反應，反應物總能量大于生成物總能量，物質越穩定，其能量越小，所以液態物質的能量小于氣態物質，則符合條件的圖象是a，

故選：a；

③ H2O(g)+CO(g)H2(g)+CO2(g)

起始量(mol/L)2 1 0 0

轉化量(mol/L)y y y y

平衡量(mol/L)2 y 1 y y y

y 2÷[(2 y)·(1 y)]=1，解得y =，所以H2O(g)的轉化率為：÷2×100%=33.3%，

故答案為：33.3%；

(2)①從圖中可知從2min到4min時各物質的轉化量為：△c(CO):△c(H2):△c(CH3OH)=(0.070.06):(x0.12):(0.040.03)

化學反應中各物質的轉化量之比等于方程式化學計量數之比得：(0.070.06):(x0.12):(0.040.03)=1:2:1，解得x=0.14，

250℃下，甲醇的平衡濃度是0.04mol/L，氫氣的平衡濃度是0.12mol/L，一氧化碳的平衡濃度是0.06mol/L，所以平衡常數K===46.3，

故答案為：0.14；46.3；

②對比6min和8min時各物質的濃度可知改變條件后反應向正方向進行，按照轉化量之比等于化學計量數之比△c(CO):△c(H2):△c(CH3OH)=1:2:1，所以8min后三種物質的濃度應為：(0.060.01)mol/L、(0.120.02)mol/L、(0.04+0.01)mol/L，而8min后氫氣的濃度為0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10L=1mol的氫氣；

第8min時反應的濃度商Qc===25≠K，

所以此時不是平衡狀態，

故答案為：增加了1mol氫氣；不是；

③從反應限度角度考慮：該反應為放熱反應，溫度過高，轉化率降低；從速率角度考慮：溫度低，反應速率慢，單位時間內的產量低，為提高經濟效應，反應速率和限度應兼顧，所以選擇溫度一般控制在240270℃；

故答案為：溫度低，反應速率慢，單位時間內的產量低；而該反應為放熱反應，溫度過高，轉化率降低；

(3)20.00mL0.1000molL1NaOH溶液與等體積、等濃度甲酸溶液混合后，恰好生成甲酸鈉，甲酸鈉溶液因為甲酸根的水解顯堿性，離子方程式為：HCOO﹣+H2OHCOOH+OH﹣，故答案為：>7；HCOO﹣+H2OHCOOH+OH﹣。