Question

【題目】甲醇是一種重要的可再生能源。

Ⅰ．已知：2CH4(g)+O2(g)=2CO(g)+4H2(g) △H=－70.8 kJ·mol－1 CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H=－90.5 kJ·mol－1

寫出由CH4和O2制取CH3OH(g)的熱化學方程式_____________________。

Ⅱ．對于反應CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)，回答下列問題：

(1)圖1是CO(g)和CH3OH(g)物質的量濃度隨時間(t)的變化曲線，從反應開始至達到平衡時，用H2表示的反應速率υ(H2)=________，CO的轉化率為_________。

(2) 在容積為2L的剛性容器中充入5mol CO和10mol H2，發生反應并達到平衡，CO的平衡轉化率隨溫度(T)的變化曲線如圖2所示。

①計算B點平衡常數KB＝______；達到平衡時，若再充入2mol CO、4mol H2和2mol CH3OH，反應向__________進行(填“正反應方向”或“逆反應方向”)。

②比較KA、KB的大小________。

③能判斷該反應達到化學平衡狀態的是____（填字母序號）。

A．H2的體積分數不再改變

B．H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍

C．H2的轉化率和CO的轉化率相等

D．混合氣體的平均相對分子質量不再改變

Answer 1

【答案】2CH4(g)+O2(g)= CH3OH(g) △H=－251.8 kJ ·mol－1 0.3mol·L－1 ·min－1 83.3％ 4 正反應方向 KA＜KB AD

【解析】

Ⅰ．用蓋斯定律來計算焓變，寫出熱化學方程式；

Ⅱ． (1)根據圖1所示，濃度增大的為生成物的濃度變化曲線，即為CH3OH的濃度變化曲線，則濃度降低的為CO的濃度變化曲線，找到濃度的變化量，求出υ(CH3OH)，根據反應速率之比等于化學計量數之比，得到υ(H2)=2υ(CH3OH)，根據圖1所示，找到CO的轉化濃度和起始濃度，用轉化濃度與起始濃度的比值可得到轉化率；

(2) ①用三段式算出平衡常數，若再充入2mol CO、4mol H2和2mol CH3OH，計算濃度商，與K比較判斷反應進行的方向；

②從T1到T2，升高溫度，CO的轉化率減小，即反應逆向移動，平衡常數減小，則KA<KB；

③判斷是否處于平衡狀態，可根據正逆反應速率是否相等，各物質的濃度是否不變的直接判據，也可以根據變量不變來分析。

Ⅰ.①2CH4(g)+O2(g)=2CO(g)+4H2(g)△H=－70.8 kJ/mol

②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)△H=－90.5 kJ/mol

根據蓋斯定律，由①+②×2得：2CH4(g)+O2(g)= CH3OH(g) △H=－251.8 kJ ·mol－1，

故答案為：2CH4(g)+O2(g)= CH3OH(g) △H=－251.8 kJ ·mol－1；

Ⅱ.(1)根據圖1所示，濃度增大的為生成物的濃度變化曲線，即為CH3OH的濃度變化曲線，則濃度降低的為CO的濃度變化曲線，反應5分鐘后達到平衡狀態，則υ(CH3OH)==0.15mol·L－1·min－1，則υ(H2)=2υ(CH3OH)= 0.15mol·L－1·min－1×2=0.3mol·L－1·min－1；根據圖1所示，CO起始濃度為0.9 mol·L－1，平衡時的濃度為0.15mol·L－1，則CO的濃度變化量為0.9 mol·L－1-0.15mol·L－1=0.75 mol·L－1，因此CO的轉化率為=83.3％，

答案為：0.3mol·L－1 ·min－1；83.3％；

(2) 根據圖2所示，T1溫度下，B點達到平衡時CO的轉化率為0.8，即CO消耗了0.8×5mol=4mol，則結合反應列三段式：

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始(mol) 5 10 0

變化(mol) 4 8 4

平衡(mol) 1 2 4

①B點平衡常數KB＝=4；達到平衡時，若再充入2mol CO、4mol H2和2mol CH3OH，濃度商Qc==<4，反應向正反應方向進行，

答案為：4；正反應方向；

②從T1到T2，升高溫度，CO的轉化率減小，即反應逆向移動，平衡常數減小，則KA<KB，

答案為：KA<KB；

③A．H2的體積分數不再改變是化學平衡的特征，達到了平衡；

B．H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍，都是指正反應方向，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡；

C．CO與H2起始物質的量之比為1:2，轉化物質的量之比為1:2，體系中H2的轉化率和CO的轉化率恒相等，體系中H2的轉化率和CO的轉化率相等不能說明正逆反應速率相等；

D．混合氣體的平均相對分子質量等于質量和物質的量的比值，物質的量變化，質量不變，所以當體系中氣體的平均相對分子質量不再改變，證明達到了平衡；

答案選AD。