题目内容

5．利用所学化学知识回答问题

Ⅰ、甲醇是重要的化工原料，又可称为燃料．工业上利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主反应如下：
①CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H=？
②CO2（g）+3H2（g）═CH3OH（g）+H2O（g）△H=-58kJ/mol
③CO2（g）+H2（g）═CO（g）+H2O（g）△H=+41kJ/mol
回答下列问题：
（1）已知反应①中的相关的化学键键能数据如下：
化学键H-HC-OC
$\frac{\underline{\;←\;}}{\;}$O		H-OC-H
E/（kJ•mol-1）4363431076465x
则x=413kJ/mol．
（2）若T℃时将6molCO2和8molH2充入2L密闭容器中发生反应②，测得H2的物质的量随时间变化如图1中状态Ⅰ（图1中实线）所示．图1中数据A（1，6）代表在1min时H2的物质的量是6mol．
①T℃时，状态Ⅰ条件下，平衡常数K=0.5；
②其他条件不变，仅改变温度时，测得H2的物质的量随时间变化如图中状态Ⅲ所示，则状态Ⅲ对应的温度＞（填“＞”“＜”或“=”）T℃；
③一定温度下，此反应在恒容容器中进行，能判断该反应达到化学平衡状态依据的是bc．
a． 2个C=O断裂的同时有2个H-O生成     b．容器中混合气体平均摩尔质量不变
c．v逆（H2）=3v正（CH3OH）               d．甲醇和水蒸气的体积比保持不变
Ⅱ、二氧化碳的回收利用是环保领域研究的热点课题．
（1）CO2经过催化氢化合成低碳烯烃．在2L恒容密闭容器中充入2moI CO2和nmol H2，在一定条件下发生反应：2C02（g）+6H2（g）?CH2=CH2（g）+4H20（g），△H=-128kJ/mol．CO2的转化率与温度、投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的关系如图2所示．
①X2＞  X1（填“＞”、“＜”或“=”）
②在500K时，若B点的投料比为3.5，且从反应开始到B点需要10min，则v（H2）=0.225mol/（L．min）．
（2）以稀硫酸为电解质溶液，利用太阳能将CO2转化为低碳烯烃，工作原理图3如下，则左侧产生乙烯的电极反应式为2CO2+12e-+12H+=CH2=CH2+4H2O．

分析 （1）依据盖斯定律和化学反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和计算；
（2）①由图可知，T℃时平衡时氢气的物质的量为2mol，参加反应的氢气的物质的量为8mol-2mol=6mol，氢气的浓度变化量为$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，据此结合三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算；
②由图可知，曲线Ⅲ到达平衡的时间缩短，反应速率加快，平衡时氢气的物质的量增大，平衡向逆反应移动，据此判断；
③达到反应平衡状态时，在一定条件下的可逆反应里，正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变，该反应就达到平衡状态，据此分析解答．
Ⅱ、（1）①相同条件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的转化率越大，据此判断X1、X2的相对大小；
②若B点的投料比为3.5，且从反应开始到B点需要10min，n（CO2）=2mol，则n（H2）=10mol，B点二氧化碳的转化率为75%，则参加反应的n（CO2）=2mol×75%=1.5mol，根据二氧化碳和氢气之间的关系式知，参加反应的n（H2）=3n（CO2）=4.5mol，则v（H2）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$；
（2）阴极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成乙烯和水．

解答 解：（1）依据盖斯定律计算①CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H=②-③=-58kJ/mol-41kJ/mol=-99kJ/mol
焓变=反应物键能总和-生成物键能总和，则反应①的△H=-99kJ/mol=1076kJ/mol+2×436kJ/mol-3×xkJ/mol-343kJ/mol-465kJ/mol，
解得：x=413kJ/mol，
故答案为：413kJ/mol；
（2）①由图可知，T℃时平衡时氢气的物质的量为2mol，参加反应的氢气的物质的量为8mol-2mol=6mol，氢气的浓度变化量为$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，则：
                      CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）
开始（mol/L）：3             4                0                   0   
变化（mol/L）：1             3                 1                  1
平衡（mol/L）：2             1                 1                  1
故该温度下平衡常数k=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1×1}{2×{1}^{3}}$=0.5，
故答案为：0.5
②由图可知，曲线Ⅲ到达平衡的时间缩短，反应速率加快，平衡时氢气的物质的量增大，平衡向逆反应移动，则条件改变是升温，
故答案为：＞；
③a.2个C=O断裂的同时有2个H-O生成，都是指正反应方向，所以不能判断达到了平衡状态，故a错误；
b．容器中混合气体平均摩尔质量不变，则正逆反应速率相等，表明反应达到平衡状态，故b正确；
c．v逆（H2）=3v正（CH3OH），则正逆反应速率相等，表明反应达到平衡状态，故c正确；
d．甲醇和水蒸气都是生成物，体积比始终保持不变，所以不能判断达到了平衡状态，故d错误；
故答案为：b c；
Ⅱ、（1）①相同条件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的转化率越大，根据图知，相同温度下X1的转化率大于X2，所以X1＞X2，
故答案为：＞；
②若B点的投料比为3.5，且从反应开始到B点需要10min，n（CO2）=2mol，则n（H2）=7mol，B点二氧化碳的转化率为75%，则参加反应的n（CO2）=2mol×75%=1.5mol，根据二氧化碳和氢气之间的关系式知，参加反应的n（H2）=3n（CO2）=4.5mol，则v（H2）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{4.5mol}{2L}}{10min}$=0.225mol/（L．min），
故答案为：0.225mol/（L．min）；
（2）阴极上二氧化碳得电子和氢离子反应生成乙烯和水．电极反应式为：2CO2+12e-+12H+=CH2=CH2+4H2O，
故答案为：2CO2+12e-+12H+=CH2=CH2+4H2O．

点评 本题考查物质的量浓度随时间变化曲线、化学平衡常数、化学反应速率的有关计算、影响化学平衡的因素等，难度中等，注意分析曲线的变化特点．

练习册系列答案
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（2）甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应：
主反应：CH3OH（g）+H2O（g）═CO2（g）+3H2（g）△H=+49kJ•mol-1
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①既能加快反应速率又能提高CH3OH平衡转化率的一种措施是升高温度．
②分析适当增大水醇比（nH2O：nCH3OH）对甲醇水蒸气重整制氢的好处提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成．
③某温度下，将nH2O：nCH3OH=1：1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为p1，反应达到平衡时总压强为p2，则平衡时甲醇的转化率为（$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）×100%．（忽略副反应）
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已知：CH3OH（g）+$\frac{1}{2}$O2（g）═CO2（g）+2H2（g）△H=-193kJ•mol-1
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17．向甲、乙两个容积均为1L的恒温恒容的密闭容器中，分别充入一定量的SO2和O2（其中，甲充入2mol SO2、1mol O2，乙充入1mol SO2、0.5mol O2），发生反应：2SO2（g）+O2（g）?2SO3（g）△H=-197.74kJ•mol-1．一段时间后达到平衡，测得两容器中c（SO2）（mol•L-1）随时间t（min）的变化关系如图所示．下列说法正确的是（　　）
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D．保持其他条件不变，若起始时向乙中充入0.4 mol SO2、0.2 mol O2、0.4 mol SO3，则此时v（正）＞v（逆）
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