题目内容

【题目】能源、环境与生产生活和社会发展密切相关。

(1)工业上利用CO和H2在催化剂作用下合成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ,已知反应中有关物质的化学键键能数据如下表所示:

化学键

H—H

C—O

C≡O

H—O

C—H

E/(kJ/mol)

436

343

1076

465

413

则 CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H=__________kJmol-1

(2)以甲醇为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池。如图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池工作原理示意图。

B极为电池______极,B极的电极反应式为_________________________________。

(3)参考合成反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数,回答下列问题:

温度/℃

0

50

100

200

300

400

平衡常数

667

100

13

1.9×10-2

2.4×10-4

1×10-5

①该反应正反应是 ___________(填“放热”或“吸热”)反应;

②在T℃时,1L密闭容器中,投入0.1molCO和0.2molH2,达到平衡时,CO转化率为50%,则T=__________℃。

(4)CH3OH也可由CO2和H2合成。在体积为1L的密闭容器中,充入lmolCO2和3molH2,一定条件下反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH= — 49.0kJ/mol,测得CO2和CH3OH(g)浓度随时间变化如图所示。

①该反应的平衡常数表达式为K=_______;从反应开始到10min,v(H2)=_____mol/(L·min);

②下列情况能说明该反应一定达到平衡状态的是___________(填字母)

A.v(CO2)消耗 = v(CH3OH)生成

B.气体的密度不再随时间改变

C.CO2和CH3OH的浓度之比不再随时间改变

D.气体的平均相对分子质量不再随时间改变

③为了加快化学反应速率且使体系中气体的物质的量增大,只改变下列某一条件,可采取的措施有__ (填字母)

A.升高温度 B.缩小容器体积

C.再充入CO2气体 D.使用合适的催化剂

④相同温度下,在另一个容积为1 L的密闭容器中充入2mol CH3OH(g)和2molH2O(g),达到平衡时CO2的浓度_______(填“>”、“ <”或“=”)0.25mol/L。

【答案】-99 负 CH3OH + 3O2—-6e—= CO2 + 2H2O 放热 50 0.225 CD AC >

【解析】

(1)根据△H=反应物键能总和-生成物键能总和=(1076+2×436-3×413-343-465)kJ·mol-1=-99kJ·mol-1;

(2)根据O2-移动方向,A极为正极,B极为负极,B电极反应式为CH3OH+3O2-=6e-=CO2+2H2O;

(3)①化学平衡只受温度的影响,根据表格中的数据,随着温度的升高,化学平衡常数降低,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,即正反应为放热反应;

② CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)

起始: 0.1 0.2 0

变化: 0.05 0.1 0.05

平衡: 0.05 0.1 0.05 K==100,根据表格数据,此时温度为50℃;

(4)①根据化学平衡常数的表达式,该反应的平衡常数K=;根据化学反应速率的数学表达式,v(H2)=0.75×3/(1×10)mol/(L·min)=0.225mol/(L·min);

②A、消耗CO2,生成CH3OH,反应都是向正反应方向进行,v(CO2)消耗 = v(CH3OH)生成,不能说明反应达到平衡,故A错误;

B、组分都是气体,则气体质量保持不变,容器为恒容,气体体积不变,则密度不再改变,不能说明反应达到平衡,故B错误;

C、CO2和CH3OH的浓度之比不再改变,说明反应达到平衡,故C正确;

D、组分都是气体,气体质量不变,向正反应方向进行,气体物质的量减少,M=m/n,即当气体平均摩尔质量不再改变,说明反应达到平衡,故D正确;

③气体物质的量增大,说明反应向逆反应方向移动,A、升高温度,加快反应反应速率,正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向进行,故A正确;

B、缩小容器的体积,压强增大,化学反应速率加快,压强增大,平衡向正反应方向移动,故B错误;

C、再充入CO2,反应速率加快,因为充入的是气体,因此气体物质的量增大,故C正确;

D、使用催化剂,只加快反应速率,对化学平衡移动无影响,即气体物质的量不变故,故D错误;

④根据①的平衡常数的表达式,得出此温度下化学平衡常数K=16/3,

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始: 0 0 2 2

变化: x 3x x x

平衡: x 3x 2-x 2-x K==,解得x=0.4,CO2的物质的量浓度为0.4>0.25。

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