Question

19．工业上通常采用CO（g）和H₂（g）催化合成甲醇CH₃OH（g）．
（1）在一定温度和压强下，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-128.8kJ/mol．若将10a mol CO和20a mol H₂放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为60%，则该反应的平衡常数为$\frac{3}{32{a}^{2}}$（用含a的代数式表示）．
若此时再向该容器中投入10a mol CO、20a mol H₂和10a mol CH₃OH（g），判断平衡移动的方向是正向移动（填“正向移动”、“逆向移动”或“不移动”）；
与原平衡相比，CO的物质的量浓度增大（填“增大”、“不变”或“减小”）．
（2）判断该反应达到平衡状态的依据是BE（填字母序号）．
A．混合气体的密度不变
B．混合气体的平均相对分子质量不变
C．2v_逆（H₂）=v_正（CO）
D．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1
E．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化
（3）一定条件下，在容积相同的三个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如表：

容器		甲	乙	丙
反应物投入量		1 mol CO、 2 mol H2	1 mol CH3OH	2 mol CH3OH
平衡 时数 据	反应能量变化的绝对值（kJ）	a	b	c
	反应物转化率	α1	α2	α3

则a+b=128.8；α₁+α₃＜1（填“＜”、“＞”或“=”，）．

Answer 1

分析 （1）开始时c（CO）=$\frac{10amol}{2L}$=5amol/L、c（H₂）=$\frac{20amol}{2L}$=10amol/L，反应的c（CO）=5amol/L×60%=3amol/L，
               CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-128.8kJ/mol
开始（mol/L）5a        10a             0
反应（mol/L）3a         6a             3a
平衡（mol/L）2a         4a            3a
该反应的化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
此时c（CO）=2amol/L+$\frac{10amol}{2L}$=7amol/L、c（H₂）=4amol/L+$\frac{20amol}{2L}$=14amol/L、c（CH₃OH）=3amol/L+$\frac{10amol}{2L}$=8amol/L，浓度商=$\frac{8a}{7a×（14a）^{2}}$，根据浓度商与化学平衡常数相对大小确定反应方向；从而确定CO浓度变化；
（2）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量、物质的量浓度、百分含量以及由此引起的一系列物理量不变；  
（3）甲、乙是等效平衡，丙等效为在乙的基础上增大压强，
生成1molCH₃OH的能量变化为128.8kJ，甲、乙平衡状态相同，令平衡时甲醇为nmol，计算反应热数值；
甲、乙处于相同的平衡状态，则α₁+α₂=1，比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动．

解答 解：（1）开始时c（CO）=$\frac{10amol}{2L}$=5amol/L、c（H₂）=$\frac{20amol}{2L}$=10amol/L，反应的c（CO）=5amol/L×60%=3amol/L，
               CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-128.8kJ/mol
开始（mol/L）5a        10a             0
反应（mol/L）3a         6a             3a
平衡（mol/L）2a         4a            3a
该反应的化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{3a}{2a×（4a）^{2}}$=$\frac{3}{32{a}^{2}}$；
此时c（CO）=2amol/L+$\frac{10amol}{2L}$=7amol/L、c（H₂）=4amol/L+$\frac{20amol}{2L}$=14amol/L、c（CH₃OH）=3amol/L+$\frac{10amol}{2L}$=8amol/L，浓度商=$\frac{8a}{7a×（14a）^{2}}$=$\frac{2}{343{a}^{2}}$＜$\frac{3}{32{a}^{2}}$，所以平衡正向移动，但再次达到平衡浓度大于原来平衡浓度，
故答案为：$\frac{3}{32{a}^{2}}$；正向移动；增大；
（2）A．反应前后气体总质量不变、容器体积不变，所以混合气体的密度始终不变，不能据此判断平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体的总质量不变但物质的量减小，所以反应前后混合气体的平均相对分子质量增大，当混合气体相对分子质量不变时，正逆反应速率相等，反应发达平衡状态，故B正确；
C．v_逆（H₂）=2v_正（CO）时该反应达到平衡状态，所以2v_逆（H₂）=v_正（CO）时没有达到平衡状态，故C错误；
D．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1时该反应不一定达到平衡状态，与反应初始浓度及转化率有关，故C错误；
E．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化时，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故E正确；
故选BE；  
（3）甲、乙是等效平衡，丙等效为在乙的基础上增大压强，
生成1molCH₃OH的能量变化为128.8kJ，甲、乙平衡状态相同，令平衡时甲醇为nmol，对于甲容器，a=128.8n，等于乙容器b=128.8（1-n），故a+b=128.8；
甲、乙处于相同的平衡状态，则α₁+α₂=1，比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动，所以α₁+α₃＜1，
故答案为：128.8；＜．

点评 本题考查化学平衡计算，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确各个物理量关系及变化是解本题关键，注意“（1）第三问中平衡正向移动但加入的CO物质的量远远大于反应的CO物质的量，导致平衡时CO浓度增大“，注意（3）题等效平衡构建，为易错点及难点．