Question

16．煤气化和液化是现代能源工业中重点考虑的能源综合利用方案．最常见的气化方法为用煤生产水煤气，而当前比较流行的液化方法为用煤生产CH₃OH．已知制备甲醇的有关化学反应及平衡常数如下：
①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g）△H ₁=-90.8KJ/mol，
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H ₂=-41.2kJ/mol，
③CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃
850℃平衡常数分别为k₁=160，K₂=243，K₃=160，甲醇可以与乙酸反应制香料CH₃OH（l）+CH₃COOH（l）→CH₃COOCH₃（l）+H₂O（l）
（1）则反应△H ₃=-132.0 kJ/mol  制香料的K的表达式$\frac{c（C{H}_{3}COOC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{3}OH）c（C{H}_{3}COOH）}$
（2）由CO合成甲醇时，以下有关该反应的说法正确的是AD（填序号）．
A．恒温、恒容条件下，若容器内的压强不发生变化，则可逆反应达到平衡
B．一定条件下，H₂ 的消耗速率是CO的消耗速率的2倍时，可逆反应达到平衡
C．使用合适的催化剂能缩短达到平衡的时间并提高CH₃OH的产率
D．某温度下，将2mol CO和6mol H₂ 充入2L密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c （CO）=0.2mol•L^- 1，则CO的转化率为80%
（3）850℃时，在密闭容器中进行反应①开始时只加入CO₂、H₂，反应10min后测得各组分的浓度如下比较正逆反应的速率的大小：v_正＞v_逆（填“＞、＜或=”）   该时间段内反应速率v（H₂）=0.12mol/（L•min）

物质	H2	CO2	CH3 OH	H2 O
浓度（mol/L）	0.2	0.2	0.4	0.4

（4）在一定条件下3L恒容密闭容器中，充入一定量的H₂和CO₂仅发生反应①，实验测得反应物在不同起始投入量下，反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线，如图1所示．

①H₂和CO₂的起始的投入量以A和B两种方式投入
A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol
B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，曲线I代表哪种投入方式A（用A、B表示）
②在温度为500K的条件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡，在此条件下，系统中CH₃OH的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示，当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，请在图2中画出3～10min内容器中CH₃OH浓度的变化趋势曲线．

Answer 1

分析 （1）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g）△H ₁=-90.8KJ/mol，
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H ₂=-41.2kJ/mol，
③CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃
依据盖斯定律计算①+②得到CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃；平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（2）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃=-132.0 kJ/mol，反应是气体体积减小的放热反应，依据化学平衡影响因素和平衡移动原理分析判断选项；
（3）850℃平衡常数分别为k₁=160，计算浓度商和平衡常数比较判断反应进行方向，
                           CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g），
起始量（mol/L） 0.6          1.4               0                  0
变化量（mol/L） 0.4          1.2             0.4               0.4
10min量（mol/L）0.2        0.2             0.4              0.4
反应速率v=$\frac{△c}{△t}$；
（4）①图象分析相同温度下，两种反应物，增大一种物质的量会提高另一种物质的转化率；
②将体系温度升至600K，根据升高温度，平衡向着吸热方向来进行回答．

解答 解：（1）①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g）△H ₁=-90.8KJ/mol，
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H ₂=-41.2kJ/mol，
③CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃
依据盖斯定律计算①+②得到CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃=-132.0 kJ/mol，甲醇可以与乙酸反应制香料CH₃OH（l）+CH₃COOH（l）→CH₃COOCH₃（l）+H₂O（l）平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}COOC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{3}OH）c（C{H}_{3}COOH）}$，
故答案为：-132.0 kJ/mol；$\frac{c（C{H}_{3}COOC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{3}OH）c（C{H}_{3}COOH）}$；
（2）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H ₃=-132.0 kJ/mol，反应是气体体积减小的放热反应，
A．反应前后气体体积变化，恒温、恒容条件下，若容器内的压强不发生变化，则可逆反应达到平衡，故A正确；
B．一定条件下，H₂ 的消耗速率是CO的消耗速率的2倍时，表明反应正向进行，不能说明可逆反应达到平衡，故B错误；
C．催化剂改变反应速率，不改变化学平衡，使用合适的催化剂能缩短达到平衡的时间，但不能提高CH₃OH的产率，故C错误；
D．某温度下，将2mol CO和6mol H₂ 充入2L密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c （CO）=0.2mol•L^-1，则CO的转化率=$\frac{2mol-0.2mol/L×2L}{2mol}$×100%=80%，故D正确；
故答案为：AD；
（3）850℃平衡常数分别为k₁=160，CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g），浓度商Qc=$\frac{0.4×0.4}{0.2×0．{2}^{3}}$=100＜K=160，说明反应正向进行，v_正＞v_逆 ，
                            CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂ O（g），
起始量（mol/L） 0.6            1.4                 0                 0
变化量（mol/L） 0.4            1.2               0.4              0.4
10min量（mol/L）0.2         0.2               0.4              0.4
该时间段内反应速率v（H₂）=$\frac{1.2mol/L}{10min}$=0.12mol/（L•min），
故答案为：＞；0.12mol/（L•min）；
（4）①A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol，B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，二者比较B相当于增大二氧化碳的量，转化率小于A，所以曲线 I代表A的投料，
故答案为：A．
②在温度为500K的条件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡，二氧化碳的转化率是60%，
                  CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始浓度：0.5             1                  0                     0
变化浓度：0.21          0.63             0.21              0.21
平衡浓度：0.29         0.37               0.21              0.21
当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，则平衡正向进行，甲醇的浓度会增加，图象为，
故答案为：；

点评 本题综合考查学生盖斯定律的应用、化学反应速率的计算、化学平衡移动的影响因素等知识，属于综合知识的考查，题目难度较大．