Question

【题目】2017年5月18日，中国国土资源部地质调查局宣布，我国在南海进行的可燃冰试采获得成功，成为全球第一个海域试采可燃冰成功的国家，可燃冰即天然气水合物，甲烷含量占80%至99.9%。化工生产中用甲烷和水蒸气反应得到以CO和H2为主的混合气体，这种混合气体可用于生产甲醇或合成氨，回答下列问题:

(1)甲醇是一种用途广泛的化工原料，工业上常用下列两种反应制备甲醇:

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H1 =-90kJ·mol-1 K1

CO2(g)+3H2(g)= CH3OH(g)+H2O(l) △H2 K2

己知: CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2(g) △H3 =-41.1kJ·mol-1 K3

H2O(l)=H2O(g) △H4 =+44.0kJ·mol-1 K4

则K2=_______ (用含K1、K3、K4的代数式表示)

(2)在一恒温恒容密闭容器中充入1molCO2和3molH2模拟工业合成甲醇的反应:CO2(g)十3H2(g) CH3OH(g)十H2O(g)

①下列能说明该反应已达到平衡状态的是______________________。

A.混合气体平均相对分子质量不变 B.混合气体密度不变

C.容器内压强恒定不变 D.反应速率满足以下关系:V正(CO2)=3V逆(H2)

E.CO2、H2、CH3OH、H2O物质的量浓度之比为1:3:1:1

F.单位时间内断裂3NAH-H键的同时形成2molH-O键

②模拟过程中测得CO2和CH3OH(g)浓度随时间变化如图所示，若此时容器内压强为P，则用平衡分压代替平衡浓度表示的化学平衡常数KP为_____________(用含P的代数式表示，数值保留两位小数)，若此时再向容器内充入0.25molCO2和0.25molCH3OH的混合气体，则平衡______(填“正向“逆向“不”)移动。(已知:气体分压=气体总压×体积分数)

Answer 1

【答案】 K1/K3K4 A、C 33.33/P2 正向

【解析】(1)根据平衡常数的表达式可知K1=c(CH3OH)/c(CO)c2(H2)；K2= c(CH3OH )/c(CO2)c3(H2)； K3= c(CO2)c(H2)/c(CO)c(H2O)； K4= c(H2O)；通过以上整理可得：K2= K1/K4K3；正确答案：K1/K3K4。

(2) 该反应反应前后气体总质量不变，气体总量为减小的可逆反应，所以当混合气体平均相对分子质量不变时，反应达到平衡状态；A正确；该反应反应前后气体总质量不变，恒容密闭容器中，混合气体密度恒为定值，不能判定反应是否达到平衡状态；B错误；该反应为气体总量减小的反应，其他条件下不变，压强和气体的物质的量成正比，当容器内压强恒定不变，反应达到平衡状态；C正确；速率之比和系数成正比，3V(CO2)=V(H2)，满足3V正(CO2)=V逆(H2)反应达到平衡状态，D错误；CO2、H2、CH3OH、H2O物质的量浓度之比为1:3:1:1为反应的一种特殊情况，不能判定反应是否达平衡状态，E错误；单位时间内断裂3NAH-H键，是正向速率，同时形成2molH-O键，也是正向速率，不能判定反应达到平衡状态；F错误；正确选项A、C 。

②根据图像可知：容器的体积为1L，根据方程式进行如下计算：

CO2(g) 十 3H2(g) CH3OH(g) 十 H2O(g)

起始量 1 3 0 0

变化量 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡量 0.25 0.75 0.75 0.75

平衡分压 0.1P 0.3 P 0.3 P 0.3 P

所以化学平衡常数KP为P(CH3OH)×P(H2O)/P(CO2)×P3(H2) ；P(CH3OH)×P(H2O)=0.3 P×0.3 P=0.09 P2 ，P(CO2)×P3(H2)=0.1 P×（0.3 P）3=0.0027 P4；KP为0.09 P2/0.0027 P4=33.33/P2；若此时再向容器内充入0.25molCO2和0.25molCH3OH的混合气体，则浓度商Qp= P(CH3OH)×P(H2O)/ P(CO2)×P3(H2)；这时，各物质分压分别为：P(CH3OH)=1/3 P, P(H2O)=0.25 P, P(CO2)=1/6 P, P(H2)=0.25 P；把数据带入Qp=32/p2<33.33/P2=KP,所以平衡正向移动；正确答案：33.33/P2 ；正向。