Question

【题目】甲醇是一种常见的燃料和有机溶剂。下列为合成甲醇的有关热化学方程式：

Ⅰ．CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJmol-1

Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

Ⅳ.3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H4

回答下列问题：

（1）上述反应中△H4=______kJmol-l。

（2）现将1.0mol CH4和2.0mol H2O（g）通入恒容反应室（容积为100L）中，在一定条件下发生反应I，平衡时CH4的转化率与温度、压强的关系如图甲所示。

①下列说法能表明该反应已达平衡状态的是______（填字母序号）；

a．生成CO和H2的物质的量之比为1：3

b．容器内混合气体的密度保持不变

c．混合气体的压强保持不变

d．甲烷的生成速率与H2的生成速率之比为1：3

②已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示的平均反应速率为______molL-lmin-1；

③图中的p1______p2（选填“＜”“＞”或“=”），100℃时的平衡常数为______mol2L-2。

（3）在压强为0.1MPa条件下，1mol CO与3mol H2的混合气体在催化剂作用下能自发发生反应Ⅱ生成甲醇。

①若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是______（填字母序号）；

a．升高温度

b．将CH3OH（g）从体系中分离

c．充人氦气，使体系总压强增大

d．再充人1mol CO和3mol H2

②根据反应Ⅱ的特点，图乙是在压强分别为0.2MPa和5MPa下CO的转化率随温度变化的曲线，请指明图乙中的压强px=______MPa。

（4）在总压p=5MPa的恒压密闭容器中进行反应Ⅳ，按照不同氢碳比投料测得CO2的平衡转化率与温度关系如图丙所示（已知Kp是用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数），则：

①X点时，H2的转化率为______，

②600℃、m=3时，Kp=______MPa-2（保留两位小数）。

（5）复旦大学先进材料实验室科研团队研究出以过渡金属为催化剂的电催化还原二氧化碳制甲醇的途径，大大提高了甲醇的产率，原理如图丁所示。

①石墨2电极上发生______（选填“氧化”或“还原”）反应；

②石墨1发生的电极反应式为______。

Answer 1

【答案】-215.5 cd 0.003 ＜ 2.25×10-4 bd 0.2 60% 0.16 氧化 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

根据盖斯定律反应II+III可得3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）则△H4=-90kJmol-1+（-125.5kJmol-1）=-215.5kJ/mol，故答案为：-215.5；

（2）①a．该反应发生时生成CO和H2的物质的量之比始终为1：3，则不能判定反应是否达到平衡态，故a错误；

b．恒容体系中各物质均为气体，气体总质量不变，所以容器内混合气体的密度始终保持不变，则不能判定反应是否达到平衡态，故b错误；

c．该反应正向气体体积增大，所以混合气体的压强保持不变的状态是平衡状态，故c正确；

d．甲烷的生成速率与H2的生成速率之比为1：3，即v逆（CH4）：v正（H2）=1：3，正逆反应速率符合反应计量关系，则可判定反应达到平衡状态，故d正确；

综上所述，答案为：cd；

②0～5min时CH4的物质的量变化为1.0mol×0.5=0.5mol，v（CH4）= =0.001mol/（Lmin），反应为CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），所以v（H2）=3v（CH4）=0.003mol/（Lmin），故答案为：0.003；

③该反应正向气体体积增大，增大压强，平衡逆向移动，CH4的平衡转化率减小，即压强越大，CH4的平衡转化率越小，所以图中压强p1＜p2；

反应三段式为CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

平衡浓度：c（CH4）=0.005mol/L、c（H2O）=0.015mol/L、c（CO）=0.005mol/L、c（H2）=0.015mol/L，平衡常数K= mol2L-2=2.25×10-4mol2L-2，故答案为：2.25×10-4；

（3）①a．反应正向放热，升高温度，平衡逆向移动，甲醇产率降低，故a错误；

b．将CH3OH（g）从体系中分离，降低CH3OH浓度，促进平衡正向移动，甲醇的产率增大，故b正确；

c．充人氦气，使体系总压强增大，但反应体系中各物质浓度不变，平衡不移动，甲醇产率不变，故c错误；

d．再充入1molCO和3molH2，相当与增大压强，平衡正向移动，甲醇产率增大，故d正确；

综上所述，答案为：bd；

②该反应正向气体体积减小，增大压强，平衡正向移动，CO的转化率增大，即压强越大，CO的转化率越高，所以px=0.2MPa，py=5MPa，故答案为：0.2；

（4）①m=3时，H2与CO的物质的量之比等于化学反应的计量数之比时，所以H2、CO的转化率相同，均为60%，故答案为：60%；

②反应三段式为3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）（m=3时，设H2/span>的物质的量为3mol，图中CO2转化率为60%）

平衡分压：p（H2）=、p（CO2）= 、p（CH3OH）= p（H2O）= ，Kp= ，故答案为：0.16；

（5）①由电解装置可知，石墨2上H2O→O2，O化合价升高，失去电子，发生氧化反应，故答案为：氧化；

②由电解装置可知，石墨1上CO2（g）→CH3OH，则石墨1电极为阴极，发生得电子的还原反应，电极反应式为CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O，故答案为：CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。