Question

5．煤的气化可以减少环境污染，而且生成的CO和H₂被称作合成气，能合成很多基础有机化工原料．
（1）工业上可利用CO生产乙醇：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
又知：H₂O（l）═H₂O（g）△H₂
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
工业上也可利用CO₂（g）与H₂（g）为原料合成乙醇：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H
则△H与△H₁、△H₂、△H₃之间的关系是△H=△H₁-3△H₂-2△H₃．
（2）一定条件下，H₂、CO在体积固定的绝热密闭容器中发生如下反应：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），下列选项不能判断该反应达到平衡状态的是a、b．
a．v（H₂）正=2v（CO）逆
b．平衡常数K不再随时间而变化
c．混合气体的密度保持不变
d．CH₃OCH₃和H₂O的体积之比不随时间而变化
（3）工业可采用CO与H₂反应合成再生能源甲醇，反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），在一容积可变的密闭容器中充有10mol CO和20mol H₂，在催化剂作用下发生反应生成甲醇，CO的平衡转化率（α）与温度（T）、压强（p）的关系如图1所示．
①合成甲醇的反应为放热（填“放热”或“吸热”）反应．
②A、B、C三点的平衡常数KA、KB、KC的大小关系为K_A=K_B＞K_C．p₁和p₂的大小关系为P₁＜P₂．
③若达到平衡状态A时，容器的体积为10L，则在平衡状态B时容器的体积为2L．

（4）工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反应的热化学方程式为CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H₂=-29.1kJ•mol^-1．科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如图2、3：
①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看，工业制取甲酸甲酯应选择的压强是4.0×10⁶Pa（填“3.5×10⁶Pa”“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”）．
②实际工业生产中采用的温度是80℃，其理由是高于80℃时，温度对反应速率影响较小，且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低．

Answer 1

分析 （1）①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
②H₂O（l）?H₂O（g）△H₂
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
根据盖斯定律，方程式①-3×②-2×③得到方程2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l），据此计算△H；
（2）当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（3）①由图1可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动；
②平衡常数与浓度、压强无关，只与温度有关，结合平衡移动判断；增大压强平衡正移，CO的转化率增大；
③A、B两点温度相等，压强不同，平衡常数相同，利用三段式计算A、B两点平衡时各组分物质的量，根据A点各物质的浓度计算平衡常数，再根据平衡常数计算B点体积；
（4）①由图可知，在4.0×10⁶Pa时转化率相对比较大，再增大压强，转化率增大不多，会对设备要求较大；
②由图可知，高于80℃时，温度对反应速率影响较小；且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低．

解答 解：（1）已知：①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
②H₂O（1）═H₂O（g）△H₂
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
根据盖斯定律，则①-②×3-③×2得2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O，则：△H=△H₁-3△H₂-2△H₃，
故答案为：H=△H₁-3△H₂-2△H₃；
（2）a．v（H₂）正=2v（CO）逆与化学计量数对应成比例，能说明达到平衡，故a正确；
b．平衡常数与浓度、压强无关，只与温度有关，温度一定时平衡常数为定值，绝热密闭容器中，容器中的温度随着反应进行不断变化，则平衡常数不断变化，当平衡常数不变时说明达到了平衡状态，故b正确；
c．容器体积不变，混合气体总质量不变，混合气体密度始终保持不变，不能说明得到平衡，故c错误；
d．随着反应的进行，CH₃OCH₃和H₂O的体积之比始终不随时间而变化，无法说明反应到达平衡，故d错误，
故答案为：a、b；
（3）①由图1可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，即正反应为放热反应，故答案为：放热；
②平衡常数与压强无关，只与温度有关，A、B温度相等，则K_A=K_B，相同压强下，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则平衡常数减小，故K_B＞K_C，故K_A=K_B＞K_C；增大压强平衡正移，CO的转化率增大，已知P₂条件下，CO的转化率大，则P₁＜P₂；
故答案为：K_A=K_B＞K_C； P₁＜P₂；
③A、B两点温度相等，压强不同，平衡常数相同，
对应A点，CO转化率为0.5，参加反应CO为10mol×0.5=5mol，
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol）：10      20          0
转化（mol）：5       10          5
平衡（mol）：5       10          5
故T₁温度下，平衡常数K=$\frac{\frac{5}{10}}{\frac{5}{10}×（\frac{10}{10}）^{2}}$=1
对应B点，CO转化率为0.8，参加反应CO为10mol×0.8=8mol，
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol）：10      20         0
转化（mol）：8       16         8
平衡（mol）：2        4         8
设平衡时的体积为VL，则$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=1，解得V=2
故答案为：2；
（4）①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率“看，图象中转化率变化最大的是34.0×10⁶Pa，再增大压强，转化率增大不多，会对设备要求较大，因选择压强：4.0×10⁶Pa，
故答案为：4.0×10⁶Pa；
②由图可知，温度在高于80°C对反应速率影响不大，反应是放热反应，温度过高，平衡逆向进行，甲醇转化率会降低，
故答案为：高于80℃时，温度对反应速率影响较小，且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低．

点评 本题考查化学平衡常数有关计算、化学平衡图象及影响因素、化学平衡状态判断、反应热计算，注意掌握化学平衡常数的应用，掌握三段式计算方法，难度中等．