Question

15．乙酸是重要的有机化工原料之一，目前世界上一半以上的乙酸都采用甲醇与CO 反应来制备．某实验小组在一个恒压密闭容器中加入 0.20mol CH₃OH 和 0.22mol CO 气体，发生反应 CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l），测得甲醇的转化率随温度的变化关系如图1所示，其中曲线Ⅰ表示在 5 个不同温度下，均经过 5min 时测得的甲醇的转化率变化曲线，曲线Ⅱ表示不同温度下甲醇的平衡转化率变化曲线，已知在 T₂温度下，达到平衡时容器的体积刚好为 2L．

已知：2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ．mol^-1
2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1529kJ•mol^-1
CH₃COOH（l）+2O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-874kJ•mol^-1按要求回答下列问题：
（1）CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1
（2）在温度为 T₂时，从反应开始至 5min 时，用单位时间内物质的量变化…表示的乙酸的平均反应速率为0.024mol•min^-1．
（3）在温度为 T₂时，该反应的平衡常数 K=500；在 T₃温度下，C 点时，ν（正）=ν（逆） （填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）曲线Ⅰ在 T₁～T₂阶段，甲醇转化率随温度变化升高的原因是反应未达平衡状态，故升高温度，化学反应速率加快，故甲醇转化率随温度的升高而增大；
（5）在温度为 T₂时，往上述已达到平衡的恒压容器中，再在瞬间通入 0.12mol CH₃OH和0.06molCO 混合气体，平衡的移动方向为不移动（填“向左”或“向右”或“不移动”），理由是加入气体的总物质的量与原平衡气体的总物质的量相等，体积变为4L，Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K
（6）在温度为 T₁时，乙酸的物质的量随时间变化的趋势曲线如图2所示．在 t₁时，将该反应体系温度上升到 T₃，并维持该温度．请在图中画出 t₁时刻后乙酸物质的量变化总趋势曲线．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律进行计算，由（②+①）÷2-③得出正确结论，反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0，反应能自发进行；
（2）由曲线Ⅰ可知：T₂温度下，5min时测得的甲醇的转化率为60%，故转化的甲醇的物质的量为0.20mol×60%=0.12mol，则生成乙酸的物质的量为0.12mol，根据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
（3）根据甲醇的转化率计算平衡时各物质的浓度，再根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积计算平衡常数；平衡状态时，正逆反应速率相等；
（4）由曲线Ⅰ可知：T₁-T₂阶段，5min时，反应未达平衡状态，故升高温度，化学反应速率加快，甲醇转化率随温度的升高而增大；
（5）根据浓度商与平衡常数的大小关系，判断反应进行的方向，原平衡体系，气体总的物质的量为0.08mol+0.1mol=0.18mol，体积为2L，在温度为T₂时，往上述达到平衡的恒压容器中，再在瞬间通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合气体，充入气体总的物质的量为0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故体积变为原来的2倍，此时，甲醇的物质的量为0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物质的量为0.1mol+0.06mol=0.16mol；
（6）当时间到达t₁时，将该反应体系温度迅速上升到T₃，并维持该温度，温度升高，平衡逆向移动，乙酸的物质的量减小，一段时间后达到平衡状态，乙酸的物质的量保持不变，据此画出变化图象．

解答 解：（1）①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-560kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1530kJ•mol^-1
③CH₃COOH（l）+2O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-870kJ•mol^-1
由（②+①）÷2-③得，CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=$\frac{（-560KJ/mol）+（-1530KJ/mol）}{2}$-（-870kJ•mol^-1）=-175kJ•mol^-1，
CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1，△H＜0，△S＜0，则满足△H-T△S＜0的条件是低温下反应自发进行，
故答案为：-175；
（2）由曲线Ⅰ可知：T₂温度下，5min时测得的甲醇的转化率为60%，故转化的甲醇的物质的量为0.20mol×60%=0.12mol，则生成乙酸的物质的量为0.12mol，故在温度为T₃时，从反应开始至5min时，用单位时间内物质的量变化表示的乙酸的平均反应速率为=0.12/5=0.024mol•min^-1，
故答案为：0.024；
（3）由解答（2）可知：在温度为T₂时，转化的甲醇的物质的量为0.12mol，则转化的CO的物质的量为0.12mol，故平衡时甲醇的物质的量为0.20mol-0.12mol=0.08mol，CO的物质的量为0.22mol-0.12mol=0.1mol，故平衡常数K=$\frac{1}{[C{H}_{3}OH][CO]}$=$\frac{1}{\frac{0.08×0.1}{2}}$=500；
在T₃温度下，C点时反应已达平衡状态，故正逆反应速率相等，故v_（正）=v_（逆），
故答案为：500；=；
（4）由曲线Ⅰ可知：T₁温度下，5min时，反应未达平衡状态，故升高温度，化学反应速率加快，故甲醇转化率随温度的升高而增大，
故答案为：反应未达平衡状态，故升高温度，化学反应速率加快，故甲醇转化率随温度的升高而增大；
（5）原平衡体系，气体总的物质的量为0.08mol+0.1mol=0.18mol，体积为2L，在温度为T₂时，往上述达到平衡的恒压容器中，再在瞬间通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合气体，充入气体总的物质的量为0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故体积变为原来的2倍，此时，甲醇的物质的量为0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物质的量为0.1mol+0.06mol=0.16mol，则Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K，故平衡不移动；
故答案为：不移动；加入气体的总物质的量与原平衡气体的总物质的量相等，体积变为4L，Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K；
（6）当时间到达t₁时，将该反应体系温度迅速上升到T₃，并维持该温度，温度升高，平衡逆向移动，乙酸的物质的量减小，一段时间后达到平衡状态，乙酸的物质的量保持不变，故t₁时刻后的变化总趋势曲线为，故答案为：．

点评 本题考查盖斯定律的应用、平衡图象分析、平衡常数的计算机化学平衡移动原理，难度较大．要注意根据浓度商与平衡常数来判断反应进行的方向．