Question

5．甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上一般可采用如下反应来合成甲醇：2H₂（g）+CO（g）═CH₃OH（g）
（1）下表所列数据是该反应在不同温度下的化学平衡常数（K）

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（CO）}$，△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②要提高CO的转化率，可以采取的措施是df（填序号）．
a．升温
b．加入催化剂
c．增加CO的浓度
d．加入H₂加压
e．加入惰性气体加压
f．分离出甲醇
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的1/2，在其他条件不变的情况下，对平衡体系产生的影响是CD（填字母）．
A．c（H₂）减少                   B．正反应速率加快，逆反应速率减慢
C．CH₃OH 的物质的量增加           D．重新平衡时c（H₂）/c（CH₃OH）减小
④某温度下，将2mol CO和6mol H₂充入2L的密闭容器中，充分反应10min后，达到平衡时测得c（CO）=0.2mol/L，则CO的转化率为80%，此时的温度为250℃．以CH₃OH表示该过程的反应速率v（CH₃OH）=0.08mol/（L•min）．
（2）下图表示在温度分别为T₁、T₂时，平衡体系中H₂的体积分数随压强变化曲线，A、C两点的反应速率A＜C（填“＞”、“=”或“＜”，下同），A、C两点的化学平衡常数A=C，由状态B到状态A，可采用升温的方法（填“升温”或“降温”）．
（3）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-c kJ•mol^-1
则，CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=$\frac{b-a}{2}$-2ckJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）①反应的平衡常数等于生成物平衡浓度系数次幂之积和反应物平衡浓度系数次幂之积的比值；
②要提高CO的转化率，采取的措施使得化学平衡正向移动即可，但是不能增加一氧化碳的投料；
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的1/2，在其他条件不变的情况下，相当于加压，据此回答；
④达到平衡时测得c（CO）=0.2mol/L，则转化的CO的物质的量为2.0mol-0.2mol/L×2L=1.6mol，根据三行式计算转化率、反应速率以及平衡常数；
（2）反应是放热反应，降低温度，则氢气的体积分数降低，据此判断温度的高低，温度相等，压强越大，反应速率越快，温度和K的关系和反应的吸放热有关，据此回答；
（3）根据题意，反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）可以是$\frac{①-②}{2}$+2×③得到，根据盖斯定律来计算．

解答 解：（1）①反应的平衡常数等于生成物平衡浓度系数次幂之积和反应物平衡浓度系数次幂之积的比值，即K$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（CO）}$；放热反应随温度升高，平衡常数减小，所以反应是放热的，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（CO）}$；＜；
②要提高CO的转化率，采取的措施使得化学平衡正向移动即可，但是不能增加一氧化碳的投料；
a．反应是放热的，升温会使得平衡逆向移动，降低CO的转化率，故a错误；
b．加入催化剂，可以加快反应速率，但是不会引起反应物平衡转化率，故b错误；
c．增加CO的浓度会使得一氧化碳的转化率降低，故c错误；
d．加入H₂加压会使得平衡正向移动，CO的转化率升高，故d正确；
e．加入惰性气体加压不会引起平衡的移动，不会引起反应物平衡转化率，故e错误；
f．分离出甲醇使得化学平衡正向移动，CO的转化率升高，故f正确；
故选df；   
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的1/2，在其他条件不变的情况下，相当于加压；
A．增大压强，平衡正向移动，但是体积减小，c（H₂）增加，故A错误；
B．将容器的容积压缩到原来的1/2，相当于加压，正逆反应速率加快，故B错误；
C．增大压强，平衡正向移动，CH₃OH 的物质的量增加，故C正确；
D．增大压强，平衡正向移动，CH₃OH 的物质的量增加，氢气的物质的量减小，所以重新平衡时c（H₂）/c（CH₃OH）减小，故D正确．
故选CD；
④达到平衡时测得c（CO）=0.2mol/L，则转化的CO的物质的量为2.0mol-0.2mol/L×2L=1.6mol，
所以CO的转化率为$\frac{1.6mol}{2.0mol}$×100%=80%，则
     CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始：1mol/L 3mol/L       0
转化：0.8mol/L 1.6mol/L 0.8mol/L
平衡：0.2mol/L 1.4mol/L 0.8mol/L
所以：k=$\frac{0.8mol/L}{0.2mol/L×（1.4mol/L）^{2}}$=2.041（mol/L）^-2，温度应为250℃，以CH₃OH表示该过程的反应速率v（CH₃OH）=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08mol/（L•min），
故答案为：80%；250℃； 0.08；
（2）反应是放热反应，降低温度，压强不变，则氢气的体积分数降低，所以温度T₂大于T₁，温度相等，压强越大，反应速率越快，所以A、C两点的反应速率A＜C，反应是放热的，所以温度升高，K减小，A、C两点的化学平衡常数相等，压强不变，由状态B到状态A，可采用升高温度的办法，故答案为：＜；=；升温；
（3）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-akJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-bkJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-ckJ•mol^-1
则CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）可以是$\frac{①-②}{2}$+2×③得到，根据盖斯定律，反应的焓变△H=$\frac{b-a}{2}$-2c，故答案为：$\frac{b-a}{2}$-2c．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的计算，平衡状态的判断，平衡常数的计算与运用以及等效平衡问题，题目难度较大．