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【题目】甲醇是一种新型的汽车动力燃料,工业上可通过CO和H2化合来制备甲醇。

(1)已知H2(g)、CO(g)、CH3OH(l)的燃烧热分别为285.8kJ/mol、283.0kJ/mol和726.5kJ/mol,则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为___。

(2)某研究性学习小组在容积固定为2L的密闭容器内充入1molCO和2molH2,加入合适催化剂(体积可以忽略不计)后进行反应CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) ΔH<0。

①下列措施中有利于增大该反应的反应速率且提高转化率的是__(填字母序号)

A.随时将CH3OH与反应混合物分离 B.降低反应温度

C.使用高效催化剂 D.增大体系压强

②实验过程中用压力计监测容器内压强的变化如下:

反应时间/min

0

5

10

15

20

25

压强/MPa

12.6

10.8

9.5

8.7

8.4

8.4

则从反应开始到20min时,以H2表示的平均反应速率=__mol/(L·min),该温度下平衡常数k=__。

③若在恒温恒压条件下进行上述反应,达到平衡后,往体系中通入一定量的稀释剂(水蒸气),CO的转化率__(填"增大"、"减小"或"不变")。

(3)现在容积均为1L的a、b、c三个密闭容器中分别充入1molCO和2molH2的混合气体,控制温度,进行反应,测得相关数据的关系如图所示。b中甲醇体积分数大于a中的原因是__。达到平衡时,a、b、c中CO的转化率大小关系为__。

【答案】CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l) ΔH=-443.5kJ/mol D 0.025 4 减小 b中温度高,反应速率快,反应相同时间生成的甲醇多,体积分数大 a>b>c

【解析】

(1)根据H2(g)、CO(g)、CH3OH(l)的燃烧热分别为285.5kJ/mol、283.0kJ/mol和726.5kJ/mol,

写出它们燃烧热的热化学方程式,再写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的化学方程式,最后根据盖斯定律计算其反应热;

(2)①增大化学反应速率可升温,加压,使用催化剂,增大反应物浓度;正反应放热,压强减小,因此降温,加压有利于反应正向进行,提高反应物的转化率;
②列出三段式,根据反应始末状态的压强之比等于物质的量之比计算平衡时H2的转化量,再根据计算反应速率;据此计算平衡浓度,再根据平衡浓度计算化学平衡常数;
③恒温恒压条件下,向反应体系中通入无关气体,相当于减小压强;

(3)未达到平衡前,温度高的速率快,相同时间内,产生的甲醇量多,由于正反应放热,到达平衡后再升高温度,平衡向逆反应方向移动,甲醇的含量会降低,所以图中5min时,a容器一定未平衡,c容器一定平衡,b容器不一定平衡,据此分析解答。

(1)已知H2(g)、CO(g)、CH3OH(l)的燃烧热分别为285.5kJ/mol、283.0kJ/mol和726.5kJ/mol,

则有:①H2(g)+O2(g)═H2O(l) △H1=285.5kJ/mol,

②CO(g)+O2(g)═CO2(g) △H2=283.0kJ/mol,

③CH3OH(l)+O2(g)═CO2(g)+2H2O(l) △H3=726.0kJ/mol,

甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的化学方程式为CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l),根据盖斯定律,可知该反应可由③②得到,该反应的焓变△H=△H3△H2=443.5kJ/mol,

故答案为:CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l) △H=443.5kJ/mol;

(2)①A. 随时将CH3OH与反应混合物分离,平衡正向移动,能提高反应物的转化率,但化学反应速率减小,故A不选;

B. 降低反应物温度,能使反应正向进行程度增大,提高反应物转化率,但化学反应速率减小,故B不选;

C. 使用高效催化剂能提高化学反应速率,但不改变化学平衡状态,不能提高反应物转化率,故C不选;

D. 增大体系压强,平衡正向移动,能提高反应物的转化率,且能增大化学反应速率,故D选;

故答案为:D;

②由表格中数据可知,20min后压强保持不变,反应达到平衡状态,设反应转化xmolCO,则可得三段式:

,又压强之比等于物质的量之比,所以有,解得x=0.5,则从反应开始到20min时,以H2表示的平均反应速率=;各组分的平衡浓度为c(CO)=0.25mol/L,c(H2)=0.5mol/L,c(CH3OH)=0.25mol/L,所以反应的化学平衡常数为;

故答案为:0.025;4;

③若在恒温恒压条件下进行上述反应,达到平衡后,往体系中通入一定量的稀释剂(水蒸气),由于反应物、生成物的浓度均同等程度的减小,相当于减小压强,平衡逆向移动,则CO的转化率减小;

故答案为:减小;

(3)未达到平衡前,温度高的速率快,相同时间内,产生的甲醇量多,由于正反应放热,到达平衡后再升高温度,平衡向逆反应方向移动,甲醇的含量会降低,所以图中5min时,a容器一定未平衡,c容器一定平衡,b容器不一定平衡;达到平衡时,a、b、c三个容器的反应温度不同,根据正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,故达到平衡时,转化率的关系为:a>b>c;

故答案为:b中温度高,反应速率快,反应相同时间生成的甲醇多,体积分数大;a>b>c。

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