题目内容
【题目】甲醇作为基本的有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景,CO2加氢合成甲醇是合理利用CO2的有效途径。由CO2制备甲醇过程可能涉及反应如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.19 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH2
反应Ⅲ:CO2(g)+3H2g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=-49.58 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的化学平衡常数分别为K1、K2、K3、则K3=__________(用K的代数式表示)
(2)在恒压密闭容器中,充入一定量的 H2 和 CO2(假定仅发生反应Ⅲ),实验测得反应物在不同温度下,反应体系中 CO2 的平衡转化率与压强的关系曲线如图 1 所示。
①比较 T1 与 T2 的大小关系:T1____________T2(填“<”、“=”或“>”)
②在 T1 和 p6 的条件下,往密闭容器中充入 3 mol H2 和 1 mol CO2,该反应在第 5 min 时达到平衡,此时容器的体积为 1.8 L,则该反应在此温度下的平衡常数为________。
a.若此条件下反应至 3 min 时刻,改变条件并于 A 点处达到平衡,CH3OH 的浓度随反应时间的变化趋势如图 2所示(3~4 min 的浓度变化未表示出来),则改变的条件为 __________,请用 H2 的浓度变化计算从4 min开始到 A点的反应速率v(H2)= _________(保留两位小数)。
b.若温度不变,压强恒定在 p8 的条件下重新达到平衡时,容器的体积变为_______L
【答案】K3=K1χK2 < 4/27 或0.148 减小压强 0.08 mol·L-1·min-1 8/15 或0.533
【解析】
(1)根据化学平衡常数的定义进行分析;
(2)①由于正反应是放热反应,因此在压强相等时温度升高二氧化碳的转化率降低,所以根据图像可知T1<T2;
②根据三段式进行分析计算。
(1)根据化学平衡常数的定义,反应Ⅰ的化学平衡常数K1=[c(CO)c(H2O)]/[c(CO2)c(H2)],
反应Ⅱ的化学平衡常数K2=[c(CH3OH)]/[c(CO)c2(H2)] ,反应Ⅲ的化学平衡常数K3=
[c(CH3OH)c(H2O)]/[c(CO2)c3 (H2)],则K3=K1×K2,故答案为:K3=K1×K2。
(2)①由于正反应是放热反应,因此在压强相等时温度升高二氧化碳的转化率降低,所以根据图像可知T1<T2,故答案为:<。
②根据图像可知在T1和P6的条件下二氧化碳的转化率是40%,往密闭容器中充入3molH2和1molCO2,该反应在第5min时达到平衡,此时容器的体积为1.8L,则此时反应的二氧化碳是0.4mol,所以
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
初始量(mol)1 3 0 0
变化量(mol)0.4 1.2 0.4 0.4
平衡量(mol)0.6 1.8 0.4 0.4
所以平衡时二氧化碳、氢气、甲醇和水蒸气的浓度分别是(mol/L)1/3、1、2/9、2/9
因此该温度下,反应的平衡常数K=2/9×2/9÷1/3×13=4/27=0.148。
a.若此条件下反应至3min时刻,改变条件并于A点处达到平衡,CH3OH的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示,此时需要的时间是6min>5min,这说明反应速率降低,因此改变的条件为降低压强,由图2可知,从4 min开始到 A点的反应速率v(CH3OH)=(0.21-0.15)mol/L/(6.3-4)min= 0.026 mol·L-1·min-1,由反应方程式v(H2):v(CH3OH)=3:1,故用 H2 的浓度变化计算从4 min开始到 A点的反应速率v(H2)= 0.08 mol·L-1·min-1,故答案为:减小压强,0.08 mol·L-1·min-1。
b.若温度不变,压强恒定在P8的条件下重新达到平衡时二氧化碳的转化率为60%,则
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
初始量(mol)1 3 0 0
变化量(mol)0.6 1.8 0.6 0.6
平衡量(mol)0.4 1.2 0.6 0.6
所以0.6/V×0.6/V÷0.4/V×(1.2/V)3=4/27
解得V=8/15L= 0.533L
故答案为:8/15或 0.533。
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【题目】CO2是一种廉价的碳资源,其综合利用具有重要意义。回答下列问题:
(1)CO2与CH4经催化重整,制得合成气:CH4(g)+ CO2(g)2CO (g)+ 2H2(g)
①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下:
化学键 | C—H | C=O | H—H | C |
键能/kJ·mol1 | 413 | 745 | 436 | 1075 |
则该反应的ΔH=_________。分别在v L恒温密闭容器A(恒容)、B(恒压,容积可变)中,加入CH4和CO2各1 mol的混合气体。两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是_______(填“A” 或“B ”)。
(2)CO2可以被NaOH溶液捕获。
①若所得溶液pH=13,CO2主要转化为_______(写离子符号);若所得溶液c(HCO3)∶c(CO32)=2∶1,溶液pH=___________。(室温下,H2CO3的K1=4×107;K2=5×1011)
②当2molCO2通入3molNaOH被吸收时,溶液中离子浓度关系正确的是(选填字母)________。
a.c(Na+)+c(H+)=c(CO32)+c(HCO3-)+c(OH-)
b.c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32)> c(OH-)>c(H+)
c.3c(Na+)=2[c(CO32)+c(HCO3-) +c(H2CO3)]
(3)CO2辅助的CO—O2燃料电池,工作原理如图所示,固体介质中CO32— 可定向移动。电池的负极反应式:________________________________电池工作时需向某电极通入CO2以触发反应,该电极为_____________(填“甲”或“乙”)