Question

【题目】甲醇既是重要的化工原料，又可作为燃料。利用CO2和H2在催化剂的作用下合成甲醇，主要发生的反应如下：

反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H1=-53.7 kJmol-1

反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) H2=+41.2 kJmol-1

(1)已知化学键的键能如下：

①反应Ⅲ：CO(g)+ 2H2(g) CH3OH(g) H3=_____________。

②碳氧双键的键能为__________________。

③在某一条件下，上述反应同时发生，若反应I、Ⅱ、III的化学平衡常数分别为K1、K2、K3，则K2=____________________(用含K1、K3的形式表示)。

(2)研究表明，在催化剂存在下，CO2和H2可发生反应I和Ⅱ。某实验室控制CO2和H2初始投料比为1：2．2，经过相同反应时间测得如下实验数据(甲醇选择性即转化的CO2中生成甲醇的百分数)：

①543 K时，使用催化剂Cat．2，测得实验数据时反应I所处的状态为________________(填：“正向进行”、“平衡状态”、“逆向进行”)。

②有利于提高反应I中H2平衡转化率的措施是___________(填标号)。

A．使用催化剂Cat．1 B．降低反应温度

C．投料比不变，增加反应物的浓度 D．减小CO2和H2的初始投料比

(3)在上述反应中，混合气体CO、CO2和H2的组成关系为n(H2)／n(CO+ CO2)=2.60时，体系中的CO平衡转化率α(CO)与温度和压强的关系如图所示：

①图中的压强由大到小的顺序为____________。

②α(CO)值随温度升高而变小的原因是________。

Answer 1

【答案】-94.9 kJ·mol-1 805.6 kJ·mol-1 K1/K3 正向进行 BC p1>p2>p3 温度升高，反应Ⅲ平衡左移，反应Ⅱ平衡右移，CO的物质的量均增大，导致CO转化率变小

【解析】

（1）本题考查盖斯定律的应用，通过盖斯定律计算反应的反应热，在化学反应过程中断开化学键吸收能量，形成新的化学键释放能量，H=断开化学键吸收能量-形成新的化学键释放能量；

（2）543 K时，使用催化剂Cat．2，甲醇的选择性高，说明反应I正向进行，通过平衡的相关知识分析反应Ⅰ；

（3）反应I正反应为放热反应，反应Ⅲ为吸热反应，需要同时考虑两个反应中的物质的变化综合分析作答。

（1）①根据盖斯定律，反应Ⅲ= 反应Ⅰ-反应Ⅱ，；②假设碳氧双键的键能为x，由反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) H2=+41.2 kJmol-1，

根据化学键的键能计算：2x+436-1076-465×2=+41.2，求出x=805.6 kJ·mol-1；③；;

故答案为：①-94.9 kJ·mol-1；805.6 kJ·mol-1；K1/K3

(2) ① 543 K时，使用催化剂Cat．2，甲醇的选择性高，说明反应I正向进行；②A.使用催化剂Cat．1只能改变速率，不能使平衡移动，故A错误；B. 反应I为放热反应，降温有利于平衡正向移动，氢气转化率增大，故B正确；C. 投料比为1：2．2，化学计量数比为1:3，投料比不变增大投料量，相当于增大了反应物中CO2的比例，平衡正向移动，氢气转化率增加，故C正确；D. 减小CO2和H2的初始投料比，相当于增大了氢气的初始量，氢气的转化率会降低，故D错误；本题选BC。故答案为：①正向进行；②BC。

（3）①由图可知，压强一定时，随温度的升高，CO的转化率减小，反应I正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡体系中CO的量增大，反应Ⅲ为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，又使平衡体系中CO的增大，随温度升高，CO的转化率减小；相同温度下，反应Ⅲ前后气体分子数不变，压强改变不影响其平衡移动，反应I正反应为气体分子数减小的反应，增大压强，有利于平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，故增大压强有利于CO的转化率升高，故压强：P1>P2>P3；②反应I正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，平衡体系中CO的量增大，反应Ⅲ为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，又使平衡体系中CO的增大，总结果，随温度升高，CO的转化率减小；故答案为：①P1>P2>P3；②温度升高，反应Ⅲ平衡左移，反应Ⅱ平衡右移，CO的物质的量均增大，导致CO转化率变小。