题目内容

2．甲醇是重要的化工原料，又可称为燃料．工业上利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主要反应如下：
①CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H
②CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H2=-58kJ•mol-1
③CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H3=+41kJ•mol-1
回答下列问题：
（1）已知反应①中的相关的化学键键能数据如下：
 化学键 H═H C═O C≡O H-O C-H
 F/（kJ•mol-1） 435 343 1076 465 X
则x=413；
（2）若T℃时将6molCO2和8molH2充入2L密闭容器中发生反应②，测得H2的物质的量随时间变化关系如图中状态I（图中实线）所示．图中数据A（1，6）代表在1min时H2的物质的量是6mol．
①T℃时状态I条件下，0～3min内CH3OH的平均反应速率v=0.28mol/（L•min），平衡常数K=0.5；
②其他条件不变时，仅改变某一条件后测得H2的物质的量随时间变化如图中状态Ⅱ所示，则改变的条件可能是增大压强；
③其他条件不变，仅改变温度时，测得H2的物质的量随时间变化如图中状态Ⅲ所示，则状态Ⅲ对应的温度＞（填“＞”、“＜”或“=”）T℃；
④若状态Ⅱ的平衡常数为K2，状态Ⅲ的平衡常数为K3，则K2＞（填“＞”、“＜”或“=”）K3；
⑤一定温度下同，此反应在恒容容器中进行，能判断该反应达到化学平衡依据的是ac．
a．容器中压强不变              b．甲醇和水蒸汽的体积比保持不变
c．v正（H2）=3v逆（CH3OH）      d．2个C═O断裂的同时有6个H-H断裂．

分析 （1）已知：①CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H
②CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H=-58kJ/mol
③CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）△H=+41kJ/mol
根据盖斯定律，②-③=①，据此计算△H，再结合键能计算x；
（2）①根据反应速率的计算公式进行计算0～3min内CH3OH的平均反应速率；根据图象可知，反应在8min达到平衡，此时氢气的物质的量为2mol，列三段式，计算化学平衡常数K；
②Ⅱ在4min达到平衡，且平衡时氢气的物质的量比Ⅰ小，说明反应速率加快，且平衡正向移动，再根据影响化学平衡的因素分析可得；
③状态Ⅲ反应速率快，平衡时氢气的物质的量较Ⅰ大，说明平衡逆向移动，故温度升高了；
④根据温度对化学平衡的移动可得K的大小；
⑤可逆反应平衡时，正逆反应速率相等，各组分含量保持不变，据此分析．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H
②CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H=-58kJ/mol
③CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）△H=+41kJ/mol
根据盖斯定律，②-③=①，则①中的△H=-58kJ/mol-41kJ/mol=-99kJ/mol；
此时△H=反应物的键能和-生成物的键能和=（1076kJ•mol-1+435×2kJ•mol-1）-（xkJ•mol-1×3+465kJ•mol-1+343kJ•mol-1）=-99kJ/mol，解得x=413，
故答案为：413；
（2）①T℃时状态I条件下，3min时H2的物质的量为3mol；变化5mol，根据反应  CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）可知CH3OH（g）的变化物质的量为$\frac{5}{3}$mol，此时0～3min内CH3OH的平均反应速率v=$\frac{（\frac{\frac{5}{3}mol}{2L}）}{3min}$≈0.28mol/（L•min）；
T℃时将6molCO2和8molH2充入2L密闭容器中发生反应②，根据图象可知，反应在8min达到平衡，此时氢气的物质的量为2mol，列三段式：
                          CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）
起始（mol/L）：3                4                 0                   0
转化（mol/L）：1                3                 1                   1
平衡（mol/L）：2                1                 1                   1
则反应②的平衡常数K=$\frac{1×1}{2×{1}^{3}}$=0.5；
故答案为：0.28mol/（L•min）；0.5；
②从图象可知：Ⅱ在4min达到平衡，说明反应速率加快，可为升高温度，加催化剂，增大压强，平衡时氢气的物质的量比Ⅰ小，说明平衡正向移动，该反应放热反应，升高温度，平衡逆向移动，催化剂不影响平衡，该反应是个气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，则应该是增大压强；
故答案为：增大压强；
③根据图象，状态Ⅲ达到平衡呢所用时间短，反应速率较快，平衡时氢气的物质的量也较大，说明反应逆向移动，故应温度较T℃高；
故答案为：＞；
 ④状态Ⅱ增大压强，温度不变，仍为T℃，状态Ⅲ温度比T℃高，该反应是正反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，化学平衡常数减小，K2＞K3；
故答案为：＞；
 ⑤反应CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H=-58kJ/mol在恒容容器中进行，
a．反应气体体积减小，恒容时，随着反应的进行，压强减小，平衡后，容器中压强保持不变，故a正确；
b．甲醇和水蒸气作为生成物，体积比始终未1：1保持不变，故b错误；
c．v正（H2）=3v正（CH3OH）=3v逆（CH3OH），正逆反应速率相等，反应平衡，故c正确；       
d．任何时刻，2个C=O断裂的同时都有6个H-H断裂，故d错误；
故答案为：ac．

点评 本题考查了盖斯定律、化学平衡常数的计算，影响化学平衡的因素以及化学平衡状态的判断，题目难度不大，重在考查对基础知识的理解掌握．

练习册系列答案
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16．我国宋代《开宝本草》记载了“铁华粉”的制法：“取钢煅作叶，如笏或团，平面磨错，令光净．以盐水洒之，醋瓮中阴处埋之，一百日，铁上衣生，铁华成矣．”这里的“铁华粉”是指（　　）
A．醋酸亚铁B．硫酸亚铁C．氧化铁D．氯化铁
13．为了提高煤的利用率，人们先把煤转化为CO和H2，再将它们转化为甲醇，某实验人员在一定温度下的密闭容器中，充入一定量的H2和CO，发生反应：2H2（g）+CO（g）$\stackrel{催化}{→}$CH3OH（g），测定的部分实验数据如下：
t/s0500s1 000s
c（H2）/（mol•L-1）5.003.522.48
c（CO）/（mol•L-1）2.50
（1）在500s内用H2表示的化学反应速率为0.00296mol•L-1•s-1．
（2）在1 000 s内用CO表示的化学反应速率是0.00126mol•L-1•s-1，1 000s时H2的转化率是50.4%．
（3）在500s时生成的甲醇的浓度是0.74mol•L-1．
10．氢气作为高效、洁净的二次能源，将成为未来社会的主要能源之一．甲烷重整是一种被广泛使用的制氢工艺．
Ⅰ．甲烷水蒸气重整制氢气的主要原理：
CH4（g）+H2O（g）?CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJ•mol-1…①
CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H2=-41kJ•mol-1…②
（1）反应①的平衡常数的表达式K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）有研究小组通过应用软件AsepnPlus实现了对甲烷水蒸气重整制氢系统的模拟，研究了控制水反应水碳比，在不同温度下反应器RI中操作压力变化对氢气产率的影响，其数据结果如图1所示：

①请根据图象，阐述在一定压力条件下温度与氢气产率的关系，并说明原因升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
②在实际工业生产中，操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间，其主要原因是反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高．
Ⅱ．甲烷二氧化碳重整
（3）近年来有科学家提出高温下利用CO2对甲烷蒸汽进行重整，既可以制氢也可以减少CO2排放缓解温室效应，其主要原理为CH4（g）+CO2（g）?2CO（g）+2H2（g），该反应的△H=+247kJ•mol-1．经研究发现该工艺与Ⅰ相比，主要问题在于反应过程中更容易形成积碳而造成催化剂失活，请用化学方程式表示形成积碳的原因CH4$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$C+2H2．
Ⅲ．甲烷水蒸气重整的应用
（4）甲烷水蒸气重整的一个重要应用是将甲烷水蒸气重整后的合成气作为熔融碳酸盐燃料电池的原料，其工作原理如图2：
①写出该电池的负极反应方程式H2+CO32--2e-=H2O+CO2，CO+CO32--2e-=2CO2；
②该电池中可循环利用的物质有CO2、H2O；
③若该燃料电池的能量转化效率为70%，则当1g甲烷蒸汽通入电池时，理论上外电路可以产生33712C（库仑）的电量．（电子电量为1.6×10-19C）
17．研究NO2、SO2、CO等大气污染气体的处理具有重要意义．
（1）已知：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）△H=-196.6kJ•mol-1
2NO（g）+O2（g）?2NO2（g）△H=-113.0kJ•mol-1
则反应NO2（g）+SO2（g）?SO3（g）+NO（g）的△H=-41.8kJ•mol-1
（2）一定条件下，将NO2与SO2以体积比2：1置于密闭容器中发生上述反应，下列能说明反应达到平衡状态的是BD．
A．体系压强保持不变
B．混合气体颜色保持不变
C．SO3和NO的体积比保持不变
D．每消耗1molSO3的同时生成1mol NO
测得上述反应达平衡时NO2与SO2的体积比为5：1，则平衡常数K=1.8
（3）CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）．CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图（1）所示．该反应△H＜0（填“＞”或“＜”）．实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是：在1.3×104kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加得不偿失．

（4）依据燃烧的反应原理，合成的甲醇可以设计如图（2）所示的原电池装置．
①该电池工作时，OH-向负极移动（填“正”或“负”）．
②该电池正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-═OH-．
7．下列情况没有发生蛋白质变性的是（　　）
A．淀粉和淀粉酶混合后微热
B．用蘸有质量分数为75%的酒精棉花球擦皮肤
C．用紫外线光灯照射病房
D．用福尔马林浸动物标本
14．下列说法，能够用勒夏特列原理来解释的是（　　）
A．加入催化剂可以提高单位时间氨的产量
B．高压有利于氨的合成反应
C．500℃高温比室温更有利于合成氨的反应
D．恒温恒容下，在合成氨平衡体系中充入He，使压强增大，则平衡正向移动，NH3增多
11．已知：2C（s）+O2（g）═2CO（g）△H=-Q1 kJ•mol-1；
C（s）+O2（g）═CO2（g）△H=-Q2 kJ•mol-1；
S（s）+O2（g）═SO2（g）△H=-Q3 kJ•mol-1．
CO与镍反应会造成镍催化剂中毒，为防止镍催化剂中毒，工业上常用SO2将CO氧化，二氧化硫转化为单质硫，则该反应的热化学方程式为（　　）
A．SO2（g）+2CO（g）═S（s）+2CO2（g）△H=（2Q1-2Q2+Q3） kJ•mol-1
B．S（s）+2CO（g）═SO2（g）+2C（s）△H=（Q1-Q3） kJ•mol-1
C．SO2（g）+2CO（g）═S（s）+2CO2（g）△H=（Q1-2Q2+Q3） kJ•mol-1
D．SO2（g）+2CO（g）═S（s）+2CO2（g）△H=（2Q1-Q2+2Q3） kJ•mol-1
12．若pH=3的酸溶液和pH=11的碱溶液等体积混合后溶液呈酸性，其原因可能是（　　）
A．不是在室温下B．弱酸溶液与强碱溶液反应
C．强酸溶液与强碱溶液反应D．二元强酸溶液和一元强碱溶液反应

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