Question

【題目】氫氣、碳氧化物是合成可再生能源甲醇的基礎(chǔ)原料，具有重要的應(yīng)用前景。

(1)已知H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8 kJ/mol、283.0 kJ/mol和890.0 kJ/mol。一定條件下，CO與H2合成燃燒的熱化學(xué)方程式為：CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l) △H，則△H=___；該反應(yīng)能自發(fā)進行的原因是___。

(2)工業(yè)上一般采用下列兩種反應(yīng)合成甲醇：

反應(yīng)A：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

反應(yīng)B：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

①一定溫度下，在體積可變的恒壓密閉容器中加入4 mol H2和一定量的CO發(fā)生反應(yīng)A，開始時容器體積為2 L，CO和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如圖1所示，10 min時達到平衡，則反應(yīng)A的化學(xué)平衡常數(shù)為_______。(結(jié)果保留一位小數(shù))。

②恒溫恒容條件下，在密閉容器中通入等物質(zhì)的量的CO2和H2，下列描述能說明反應(yīng)B已經(jīng)達到平衡狀態(tài)的是___（填序號）。

A. 容器內(nèi)CO2的體積分數(shù)不再變化

B. 當CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值不再變化

C. 當水分子中斷裂2NA個O-H鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H-H健

D. 容器內(nèi)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量達到34.5，且保持不變

Answer 1

【答案】-250.4 kJ/mol 該反應(yīng)的焓變數(shù)值較大，且小于0 0.1 (L/mol)2 ABCD

【解析】

(1)寫出三種物質(zhì)燃燒的熱化學(xué)方程式，然后根據(jù)蓋斯定律計算所求反應(yīng)的焓變，當△G=△H-T△S<0時，反應(yīng)能自發(fā)進行；

(2)①根據(jù)圖象分析，反應(yīng)開始時CO濃度為1 mol/L，由于開始時容器體積為2 L，則開始時CO的物質(zhì)的量是2 mol，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時c(CH3OH)=0.3 mol/L，起始時在體積可變的恒壓密閉容器中加入4 mol H2和2 mol CO發(fā)生反應(yīng)A：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，根據(jù)物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化關(guān)系得到平衡時各種氣體的物質(zhì)的量，然后假設(shè)此時容器容積為V L，利用濃度定義式和甲醇濃度，可得轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量與容器體積關(guān)系式，再根據(jù)恒溫恒壓下氣體的物質(zhì)的量的比等于壓強之比，計算出轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量及平衡時容器容積，進而得到平衡時各種物質(zhì)的濃度，帶入平衡常數(shù)表達式即可求解；

②恒溫恒容條件下，在密閉容器中通入等物質(zhì)的量的CO2 和H2，發(fā)生反應(yīng)B：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，達到平衡狀態(tài)時，v正=v逆，容器內(nèi)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量等于以g/mol為單位的平均摩爾質(zhì)量，據(jù)此分析。

(1) H2(g)、CO(g)和CH4(g)的燃燒熱分別為285.8 kJ/mol、283.0 kJ/mol和890.0 kJ/mol。

①H2(g)+O2(g)= H2O(l)△H1=-285.8 kJ/mol

②CO(g)+O2(g)= CO2(g)△H2=-283.0 kJ/mol

③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H3=-890.0 kJ/mol

將①×3+②-③，整理可得：CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l)△H =3△H1+△H2-△H3=-250.4 kJ/mol，

當△G=△H-T△S<0時，反應(yīng)能自發(fā)進行，該反應(yīng)中焓變數(shù)值較大且小于0，所以能自發(fā)進行；

(2)①根據(jù)圖象分析，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時c(CH3OH)=0.3 mol/L，起始時在體積可變的恒壓密閉容器中加入4 mol H2和一定量的CO發(fā)生反應(yīng)A：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，開始時容器體積為2 L，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，則有p=cRT，由于反應(yīng)為恒壓容器，所以始末態(tài)體系壓強相等，根據(jù)圖象可知在反應(yīng)開始時c(CO)=1 mol/L，則開始時n(CO)=1 mol/L×2 L=2 mol，n(H2)=4 mol，假設(shè)反應(yīng)過程在反應(yīng)產(chǎn)生CH3OH的物質(zhì)的量為x，則反應(yīng)消耗CO為x mol，消耗H2為2x mol，所以平衡時CO為(2-x)mol，H2為(4-2x)mol，CH3OH為x mol，假設(shè)平衡時容器的容積為V L，則=0.3 mol/L，所以x=0.3V mol，在恒溫恒壓下氣體的物質(zhì)的量的比等于壓強之比，所以=，解得V=L，x=0.5 mol，所以平衡時c(CO)==0.9 mol/L，c(H2)=2c(CO)=1.8 mol/L，c(CH3OH)=0.3 mol/L，故該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K==(L/mol)2≈0.1(L/mol)2；

②A. 容器內(nèi)CO2的體積分數(shù)隨著反應(yīng)進行而變化，當容器內(nèi)CO2的體積分數(shù)不再變化時，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，A正確；

B. CO2和H2的物質(zhì)的量的比不等于化學(xué)計量數(shù)之比，則CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值隨著反應(yīng)進行而變化，當CO2和H2轉(zhuǎn)化率的比值不再變化，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，B正確；

C. 當水分子中斷裂2NA個O-H鍵，必然會同時產(chǎn)生3NA個H-H鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H-H鍵，則氫氣的濃度不變，正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，C正確；

D. 容器內(nèi)混合氣體的質(zhì)量守恒，物質(zhì)的量隨著反應(yīng)進行而變化，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量也隨之變化，當混合氣體的平均相對分子質(zhì)量為34.5且保持不變時，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，D正確；

故合理選項是ABCD。