Question

【題目】甲醇是一種常見的燃料和有機(jī)溶劑。下列為合成甲醇的有關(guān)熱化學(xué)方程式：

Ⅰ．CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJmol-1

Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

Ⅳ.3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H4

回答下列問題：

（1）上述反應(yīng)中△H4=______kJmol-l。

（2）現(xiàn)將1.0mol CH4和2.0mol H2O（g）通入恒容反應(yīng)室（容積為100L）中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，平衡時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖甲所示。

①下列說法能表明該反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)的是______（填字母序號）；

a．生成CO和H2的物質(zhì)的量之比為1：3

b．容器內(nèi)混合氣體的密度保持不變

c．混合氣體的壓強(qiáng)保持不變

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3

②已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H2表示的平均反應(yīng)速率為______molL-lmin-1；

③圖中的p1______p2（選填“＜”“＞”或“=”），100℃時(shí)的平衡常數(shù)為______mol2L-2。

（3）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，1mol CO與3mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)發(fā)生反應(yīng)Ⅱ生成甲醇。

①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是______（填字母序號）；

a．升高溫度

b．將CH3OH（g）從體系中分離

c．充人氦氣，使體系總壓強(qiáng)增大

d．再充人1mol CO和3mol H2

②根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，圖乙是在壓強(qiáng)分別為0.2MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線，請指明圖乙中的壓強(qiáng)px=______MPa。

（4）在總壓p=5MPa的恒壓密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)Ⅳ，按照不同氫碳比投料測得CO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度關(guān)系如圖丙所示（已知Kp是用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），則：

①X點(diǎn)時(shí)，H2的轉(zhuǎn)化率為______，

②600℃、m=3時(shí)，Kp=______MPa-2（保留兩位小數(shù)）。

（5）復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)研究出以過渡金屬為催化劑的電催化還原二氧化碳制甲醇的途徑，大大提高了甲醇的產(chǎn)率，原理如圖丁所示。

①石墨2電極上發(fā)生______（選填“氧化”或“還原”）反應(yīng)；

②石墨1發(fā)生的電極反應(yīng)式為______。

Answer 1

【答案】-215.5 cd 0.003 ＜ 2.25×10-4 bd 0.2 60% 0.16 氧化 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)II+III可得3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）則△H4=-90kJmol-1+（-125.5kJmol-1）=-215.5kJ/mol，故答案為：-215.5；

（2）①a．該反應(yīng)發(fā)生時(shí)生成CO和H2的物質(zhì)的量之比始終為1：3，則不能判定反應(yīng)是否達(dá)到平衡態(tài)，故a錯(cuò)誤；

b．恒容體系中各物質(zhì)均為氣體，氣體總質(zhì)量不變，所以容器內(nèi)混合氣體的密度始終保持不變，則不能判定反應(yīng)是否達(dá)到平衡態(tài)，故b錯(cuò)誤；

c．該反應(yīng)正向氣體體積增大，所以混合氣體的壓強(qiáng)保持不變的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，故c正確；

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3，即v逆（CH4）：v正（H2）=1：3，正逆反應(yīng)速率符合反應(yīng)計(jì)量關(guān)系，則可判定反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；

綜上所述，答案為：cd；

②0～5min時(shí)CH4的物質(zhì)的量變化為1.0mol×0.5=0.5mol，v（CH4）= =0.001mol/（Lmin），反應(yīng)為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），所以v（H2）=3v（CH4）=0.003mol/（Lmin），故答案為：0.003；

③該反應(yīng)正向氣體體積增大，增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率減小，即壓強(qiáng)越大，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率越小，所以圖中壓強(qiáng)p1＜p2；

反應(yīng)三段式為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

平衡濃度：c（CH4）=0.005mol/L、c（H2O）=0.015mol/L、c（CO）=0.005mol/L、c（H2）=0.015mol/L，平衡常數(shù)K= mol2L-2=2.25×10-4mol2L-2，故答案為：2.25×10-4；

（3）①a．反應(yīng)正向放熱，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率降低，故a錯(cuò)誤；

b．將CH3OH（g）從體系中分離，降低CH3OH濃度，促進(jìn)平衡正向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故b正確；

c．充人氦氣，使體系總壓強(qiáng)增大，但反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率不變，故c錯(cuò)誤；

d．再充入1molCO和3molH2，相當(dāng)與增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率增大，故d正確；

綜上所述，答案為：bd；

②該反應(yīng)正向氣體體積減小，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，即壓強(qiáng)越大，CO的轉(zhuǎn)化率越高，所以px=0.2MPa，py=5MPa，故答案為：0.2；

（4）①m=3時(shí)，H2與CO的物質(zhì)的量之比等于化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量數(shù)之比時(shí)，所以H2、CO的轉(zhuǎn)化率相同，均為60%，故答案為：60%；

②反應(yīng)三段式為3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）（m=3時(shí)，設(shè)H2/span>的物質(zhì)的量為3mol，圖中CO2轉(zhuǎn)化率為60%）

平衡分壓：p（H2）=、p（CO2）= 、p（CH3OH）= p（H2O）= ，Kp= ，故答案為：0.16；

（5）①由電解裝置可知，石墨2上H2O→O2，O化合價(jià)升高，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，故答案為：氧化；

②由電解裝置可知，石墨1上CO2（g）→CH3OH，則石墨1電極為陰極，發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O，故答案為：CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。