题目内容
【题目】科学家研究出一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”,其简单流程如图所示部分(条件及物质未标出).
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(1)工业上可用H2和CO2制备甲醇,其反应为:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),某温度下,将1mol CO2和3mol H2充入体积不变的2L密闭容器中,发生上述反应,测得不同时刻反应前后的压强关系如表:
时间/h | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
p后/p前 | 0. 90 | 0. 85 | 0. 83 | 0. 81 | 0. 80 | 0. 80 |
①用H2表示前2h平均反应速率v(H2)=___.
②该温度下CO2的平衡转化率为___.
(2)在300℃、8MPa下,将二氧化碳和氢气按物质的量之比为1:3通入一恒压密闭容器中发生(1)中反应,达到平衡时,测得二氧化碳的平衡转化率为50%,则该反应条件下的平衡常数Kp=______________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数).
(3)—定温度和压强下,在2 L的恒容密闭容器中合成氨气:N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) △H=-92. 4 kJ mol-1。在反应过程中反应物和生成物的物质的量随时间的变化如图所示。
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①在10~20 min内,NH3浓度变化的原因可能是_______。
A. 加入催化剂 B. 缩小容器体积 C. 降低温度 D. 增加NH3的物质的量
② 20 min达到第一次平衡,在反应进行至25 min时,曲线发生变化的原因是____________,35min达到第二次平衡,则平衡的平衡常数K1______K2(填“>”“<”或“ = ”)
【答案】0. 225mol/(Lh) 40%
AB 移走 0. 1 molNH3 =
【解析】
(1)①建立三段式,先依据
=
计算各物质的变化量,再计算氢气的反应速率;
②建立三段式,先依据
=
计算各物质的变化量,再计算二氧化碳转化率;
(2)建立三段式,先依据
=
计算各物质的变化量,再计算各物质的物质的量分数,最后计算平衡分压常数;
(3)①由图象可知各组分物质的量变化增加,且10min时变化是连续的,说明10min时改变条件,使正、逆反应速率均增大;
②由图象可知,第25分钟,NH3的物质的量减少0. 1 mol;平衡常数随温度变化,温度不变此时平衡常数K将不变。
(1)①设2h时CO2的消耗量为x,依题意建立如下三段式:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g),
起(mol) 1 3 0 0
变(mol) x 3x x x
平(mol) 1—x 3—3x x x
由
=
可得,
=
,x=0.3mol,则前2h平均反应速率v(H2)=
0. 225mol/(Lh),故答案为:0. 225mol/(Lh);
②由题给表格数据可知5h时,反应达到平衡,该温度下CO2的平衡转化率为a,依题意建立如下三段式:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g),
起(mol) 1 3 0 0
变(mol) a 3a a a
平(mol) 1—a 3—3a a a
由
=
可得,
=
,x=0.4mol,则CO2的平衡转化率为
×100%=40%,故答案为:40%;
(2)设起始二氧化碳和氢气的物质的量分别为1mol和3mol,依题意建立如下三段式:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g),
起(mol) 1 3 0 0
变(mol) 0.5 1.5 0.5 0.5
平(mol) 0.5 1.5 0.5 0.5
平衡时二氧化碳、甲醇和水的物质的量分数为
,平衡分压为
×8MPa,氢气的的物质的量分数为
,平衡分压为
×8MPa,则Kp=
=
,故答案为:
;
(3)①由图象可知各组分物质的量变化增加,且10min时变化是连续的,说明10min时改变条件,使正、逆反应速率均增大。
A、使用催化剂,正、逆反应速率增大,故正确;
B、缩小容器体积,相当于增大压强,正、逆反应速率均增大,故正确;
C、降低温度,反应速率减小,故错误;
D、增加NH3物质的量,10min时NH3物质的量应偏离变化点,故错误;
AB正确,故答案为:AB;
②由图象可知,第25分钟,NH3的物质的量减少0. 1 mol,而H2、N2的物质的量不变,说明应是分离出0. 1 mol NH3;当反应进行到时35-40min,各物质的量不变,说明反应达到第二次平衡状态,平衡常数只受温度影响,温度不变,平衡常数不变,故答案为:移走0.1molNH3;=。