Question

【題目】研究減少CO2排放是一項重要課題。CO2經催化加氫可以生成低碳有機物，主要有以下反應：

反應Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) △H1＝－49.6kJ/mol

反應Ⅱ：CH3OCH3(g)＋H2O(g) 2CH3OH(g) △H2＝＋23.4kJ/mol

反應Ⅲ：2CO2(g)＋6H2(g) CH3OCH3(g)＋3H2O(g) △H3

(1)△H3＝__________kJ/mol。

(2)恒溫恒容條件下，在密閉容器中通入等物質的量的CO2和H2，發生反應Ⅰ。下列描述能說明反應Ⅰ達到平衡狀態的是_____________(填序號).

A.反應體系總壓強保持不變

B.容器內的混合氣體的密度保持不變

C.水分子中斷裂2NA個H－O鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵

D.CH3OH和H2O的濃度之比保持不變

(3)反應Ⅱ在某溫度下的平衡常數為0.25，此溫度下，在密閉容器中加入等物質的量的CH3OCH3(g)和H2O(g)，反應到某時刻測得各組分濃度如下：

此時，v正_________v逆 (填“>”、“<”或“＝”)，當反應達到平衡時，混合氣體中CH3OH體積分數(CH3OH)%＝_________%。

(4)反應III在不同溫度、不同投料比時，CO2的平衡轉化率如圖所示。T1溫度下，將6 mol CO2和12 mol H2充入2L的密閉容器中，5 min后反應達到平衡狀態，則0～5min內的平均反應速率v(CH3OCH3)=________；平衡常數K=_____（保留小數點后一位）；KA、KB、KC三者之間的由大到小關系為______。

(5)恒壓下將CO2和H2按體積比1：3混合，在不同催化劑作用下發生反應Ⅰ和反應Ⅲ，在相同的時間段內CH3OH的選擇性和產率隨溫度的變化如下圖。其中：CH3OH的選擇性＝×100％

①溫度高于230°C，CH3OH產率隨溫度升高而下降的原因是_______________。（答一條即可）

②在上述條件下合成甲醇的工業條件是___________________。

A.210°C B.230°C C.催化劑CZT D.催化劑CZ(Zr－1)T

Answer 1

【答案】－122.6 AC ＞ 20 0.18mol·L1·min1 263.7 KA＝KC＞KB 反應I的△H＜0，溫度升高，平衡逆向移動，使CO2轉化為CH3OH的平衡轉化率下降； BD

【解析】

（1）根據蓋斯定律可知，反應Ⅰ×2-反應ⅠⅠ=反應ⅠⅠⅠ，故△H3=[(-49.6)×2-23.4] kJ/mol=-122.6 kJ/mol,

故答案為：-122.6；

（2）反應Ⅰ正向為氣體體積減小的放熱反應，

A、恒溫恒容條件下，氣體物質的量之比等于其壓強之比，該反應正向氣體物質的量減小，當容器內總壓不變時，氣體物質的量不變，可說明反應達到平衡狀態，故A符合題意；

B、該反應為全氣體反應，反應過程中氣體質量不變，反應是在恒容容器中進行，故氣體密度始終不變，則不能判斷反應是否達到平衡狀態，故B不符合題意；

C、水分子中斷裂2NA個H－O鍵，即消耗1mol水，同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵，即消耗3mol氫氣，反應方向不同，物質消耗之比等于其計量數之比，說明正逆反應速率相等，故可說明反應達到平衡狀態，故C符合題意；

D、CH3OH和H2O均為生成物，二者系數均為1，起始濃度均為0，故任意時刻二者的濃度之比均不變，故無法說明反應達到平衡狀態，

故答案為AC；

（3）該時刻的濃度熵Qc===<0.25，故該反應正向進行，故v正>v逆；設從該時刻至平衡時，H2O(g)轉化濃度為xmol/L，則

CH3OCH3(g)＋H2O(g)2CH3OH(g)

起始(mol/L) 1.8 1.8 0.4

轉化(mol/L) x x 2x

平衡(mol/L) 1.8-x 1.8-x 0.4+2x

由=0.25可解得x=0.2，n總=4mol，混合氣體中CH3OH體積分數(CH3OH)%＝×100%=20%，

故答案為：>；20；

（4）由圖象可知，在T1溫度下，=2時，CO2平衡轉化率為60%，在5min后反應處于平衡狀態，故0～5min內==1.8mol/L，則=0.9mol/L，故0～5min內的平均反應速率v(CH3OCH3)=== 0.18mol·L1·min1；根據轉化量之比等于其其系數之比可知，平衡時，c(CO2)=1.2mol/L、c(H2)=0.6mol/L、c(CH3OCH3)=0.9mol/L、c(H2O)=2.7mol/L，則K===263.7；相同投料比下達到平衡時，CO2平衡轉化率T1>T2，故T1溫度下的平衡常數大于T2溫度下平衡常數，根據溫度不變，平衡常數不變可知，KA＝KC＞KB，

故答案為：0.18mol·L1·min1；263.7；KA＝KC＞KB；

（5）①由圖象可知，在230℃之前，反應還未達到平衡狀態，在230℃之后，反應達到平衡狀態，而反應I正向為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，使CH3OH產率下降，

故答案為：反應I的△H＜0，溫度升高，平衡逆向移動，使CO2轉化為CH3OH的平衡轉化率下降；

②由圖象可知，合成甲醇最佳條件為230℃下，在230℃下CZT催化劑對甲醇的選擇性低于CZ(Zr-1)T催化劑，由此可知，最佳催化劑為CZ(Zr-1)T催化劑，

故答案為：BD。