Question

4．甲醇是21世纪应用最广泛的清洁燃料之一，通过下列反应可以制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H

化学式	H2（g）	CO（g）	CH3OH（l）
标准燃烧热（25℃） △H/kJ•mol-1	-285.8	-283.0	-726.5

（1）已知：计算上述反应的△H=-128.1 kJ•mol^-1．
（2）在容积可变的密闭容器中充入1molCO（g）和2molH₂（g）进行CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）生
成CH₃OH（g），H₂的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图1所示．
①该反应的△S＜0，图中的T₁＜T₂（填“＜”、“＞”或“=”）．
②当达到平衡状态A 时，容器的体积为2L，此时该反应的平衡常数为4，若达到平衡状态B 时，则容器的体积V（B）=0.4 L．
③在该容器中，下列措施可增加甲醇产率的是B．
A．升高温度  B．从平衡体系中及时分离CH₃OH   C．充入He       D．再充入0.5mol CO和1mol H₂
（3）在容积固定为2L的密闭容器中充入2molCO（g）和6molH₂（g）生成CH₃OH（g）反应时间与物质的量浓度的关系如图2所示，则前10分钟内，氢气的平均反应速率0.16mol/（L•min）；若15分钟时升高体系温度，在20分钟时达到新平衡，此时氢气的转化率为33.3%，请在图2中画出15-25分钟c （CO）的变化曲线．

Answer 1

分析 （1）根据CO和CH₃OH的燃烧热先书写热方程式，再利用盖斯定律计算反应CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ）的焓变，写出热化学方程式；
（2）①反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0，据此分析判断，压强一定温度越高平衡逆向进行，氢气的转化率减小；
②在容积可变的密闭容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A点氢气转化率0.5，
                            CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    2                      0
变化量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
B点和A点温度不变平衡常数不变，结合三行计算列式计算平衡浓度，结合平衡常数计算气体体积；
③增加甲醇产率需要平衡正向进行，注意容器为恒温恒压容器；
（3）在容积固定为2L的密闭容器中充入2molCO（ g ）和6molH₂（ g ）生成CH₃OH（ g ），图中中是甲醇的浓度增加，达到平衡状态甲醇浓度为0.8mol/L，据此计算甲醇反应速率，速率之比等于化学方程式计量数之比得到氢气的反应速率，计算平衡状态下CO的浓度，若15分钟时升高体系温度，在20分钟时达到新平衡，此时氢气的转化率为33.3%，改变条件后依据氢气的转化率列三行计算，得到平衡状态下一氧化碳的浓度，据此画出图象变化．

解答 解：（1）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
由盖斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$×②得反应CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），
该反应的反应热△H=-283.0kJ•mol^-1+（-285.8kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-128.1kJ•mol^-1，
即CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-128.1kJ•mol^-1．
故答案为：-128.1；
（2）①CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ），反应为放热反应，△H＜0，气体体积减小反应的熵变△S＜0，图象中压强一定随温度升高，平衡逆向进行，氢气转化率减小，则T₁＜T₂，
故答案为：＜；＜；
②在容积可变的密闭容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A点氢气转化率0.5，
                            CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    1                     0
变化量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡常数K=$\frac{\frac{0.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=4，
若达到平衡状态B 时转化率为0.8，结合平衡三行计算列式计算，
                          CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    2                      0
变化量（mol）      0.8                 1.6                    0.8
平衡量（mol）      0.2               0.4                     0.8
B点温度不变平衡常数不变，K=$\frac{\frac{0.8}{V（B）}}{\frac{0.2}{V（B）}×（\frac{0.4}{V（B）}）^{2}}$=4
则容器的体积V（B）=0.4
故答案为：4，0.4；     
③A．反应为放热反应，升高温度平衡逆向进行，甲醇产率减小，故A错误；                  
B．从平衡体系中及时分离CH₃OH，平衡正向进行，甲醇产率增大，故B正确；
C．充入He总压增大分压不变，平衡不变，甲醇产率不变，故C错误；                  
D．体积可变的容器中再充入0.5mol CO和1mol H₂ ，相当于压强增大，体积增大，最后得到相同的平衡状态，转化率不变，甲醇产率不变，故D错误；
故答案为：B；
（3）V（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08mol/（L•min），
根据方程式得V（CH₃OH）：V（H₂）=1：2，
所以V（H₂）=2×0.08mol/（L•min）=0.16mol/（L•min）；
                                    2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）            3                 1                  0
变化量（mol/L）            1.6              0.8                0.8                                                       
平衡量（mol/L）           1.4               0.2              0.8
此时CO的平衡浓度为 0.2mol/L，
改变温度，假设在20分钟时达到新平衡，氢气的转化率为33.3%，则氢气转化的浓度为△C=$\frac{6mol}{2L}$×33.3%=1mol/L，
                              2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始浓度（1mol/L） 3             1                    0
转化浓度（1mol/L） 1              0.5               0.5
平衡浓度（1mol/L） 2              0.5               0.5
CO平衡浓度为0.5mol/L，15min时CO浓度为0.2mol/L．升温平衡逆向进行，一氧化碳物质的量浓度增大，据此画出变化曲线为：，
故答案为：0.16mol•L^-1•min^-1；

点评 本题考考查了热化学方程式和盖斯定律计算应用，平衡常数的计算及应用，影响平衡的因素分析判断，题目涉及的知识点较多，综合性较强，题目难度中等．