Question

14．工业上一般以CO和H₂为原料合成甲醇，该反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）已知CO（g）、H₂（g）的标准燃烧热分别为-285.8kJ•mol^-1，-283.0kJ•mol^-1，且CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-761kJ/mol；则CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的△H=-90.8 kJ/mol．
（2）若将等物质的量的CO和H₂混合气体充入恒温恒容密闭容器中进行上述反应，下列事实能说明此反应已达到平衡状态的是D．
A．容器内气体密度保持不变               B．混合气体的平均相对分子质量不变
C．生成CH₃OH的速率与生成H₂的速率相等  D．CO的体积分数保持不变
（3）下列措施中既有利于增大该反应的反应速率又能增大CO转化率的是C．

A．将CH₃OH及时从混合物中分离
B．降低反应温度
C．恒容装置中充入H₂
D．使用高效催化剂
（4）在容积为2L的恒容容器中，分别研究反应在300℃、350℃和400℃三种温度下合成甲醇的规律．图2是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系．请回答：
①在上述三种温度中，曲线X对应的温度是300℃．
②利用图1中a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） 的平衡常数K=16．
（5）其他条件相同时，某同学研究该甲醇合成反应在不同催化剂Ⅰ或Ⅱ作用下反应相同时间时，CO的转化率随反应温度的变化情况．请在图2中补充t℃后的变化情况．

Answer 1

分析 （1）先根据燃烧热分别写出CO、H₂、CH₃OH热化学方程式
CO燃烧的热化学方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283kJ•mol^-1 ①
H₂燃烧的热化学方程式：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-285.8×2 kJ•mol^-1 ②
CH₃OH燃烧的热化学方程式：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律将①+②-③计算；
（2）根据化学平衡状态的特征解答，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）该可逆反应是反应前后气体体积减小的放热反应，增大反应速率又有利于提高CO转化率，应该增大压强；
（4）①合成甲醇的反应是放热反应，温度升高，转化率降低；
②根据平衡常数表达式和一氧化碳的转化率求算；
（5）催化剂可以加快反应速率，但是不会引起化学平衡的移动，升高温度，可以引起化学平衡移动，据此回答．

解答 解：（1）CO燃烧的热化学方程式：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283kJ•mol^-1 ①
H₂燃烧的热化学方程式：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-285.8×2 kJ•mol^-1 ②
CH₃OH燃烧的热化学方程式：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-761kJ•mol^-1 ③
根据盖斯定律将①+②+（-③）可得：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（l）△H=-90.8KJ•mol^-1，
故答案为：-90.8 kJ/mol；
（2）A、反应前后质量和体积一直不变，所以密度一直不变，不能判断平衡，故A错误；
B、反应前后质量不变，但物质的量在变，所以平均相对分子质量保持不变，说明反应达平衡状态，故B正确；
C、生成CH₃OH的速率与生成H₂的速率等于系数之比，才能证明正逆反应速率相等，此时给定的条件不能判断平衡，故C错误；
D、CO体积分数保持不变，说明正逆反应速率相等，则反应达平衡状态，故D正确；
故选D；
（3）该可逆反应是反应前后气体体积减小的放热反应，
A．随时将CH₃OH与反应混合物分离，平衡向正反应方向移动，但反应速率不变，故错误；
B．降低反应温度平衡向正反应方向移动，但反应速率减小，故错误；
C．恒容装置中充入H₂，即增大体系压强，平衡向正反应方向移动且反应速率增大，故正确；
D．使用高效催化剂，反应速率增大，但平衡不移动，故错误；
故选C；
（4）①根据反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1，是放热反应，温度越高，转化率越低，所以曲线Z对应的温度是300℃，
故答案是：300℃；
②该反应的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$，a点时，CO转化率50%，反应消耗了1mol×50%=0.5molCO，消耗氢气1mol，剩余n（H₂）=1.5mol-1mol=0.5mol，生成0.5mol甲醇，a点各组分的浓度是：c（CH₃OH）=0.25mol/L，c（CO）=0.25mol/L，c（H₂）=0.25mol/L，
带人表达式得：K=$\frac{0.25}{0.25×0.2{5}^{2}}$=16L²•mol^-2，
故答案是：16；
（5）催化剂可以加快反应速率，但是不会引起化学平衡的移动，升高温度，化学平衡逆向移动，可以降低CO的转化率，t℃后的变化情况如下：，故答案为：．

点评 本题考查较综合，涉及原电池原理、化学平衡计算、外界条件对化学平衡的影响等知识点，侧重考查学生分析问题、灵活运用知识解答问题能力题目难度中等．