Question

【題目】甲醇是重要的化工原料，利用煤化工中生產(chǎn)的CO、CO2和H2可制取甲醇等有機(jī)物，發(fā)生的反應(yīng)有：

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=－99kJ·mol－1

②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H2

相關(guān)物質(zhì)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學(xué)鍵	C=O（CO2）	H—H	C—O	H—O	C—H
E/（kJ·mol－1）	803	436	343	465	413

（1）該反應(yīng)△H2=___________。

（2）關(guān)于反應(yīng)①下列說(shuō)法，正確的是___________。

A.該反應(yīng)在任何溫度下都能自發(fā)進(jìn)行

B.升高溫度，正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率減小

C.使用催化劑，不能提高CO的轉(zhuǎn)化率

D.增大壓強(qiáng)，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)不變

（3）在某溫度下，將1.0moCO與2.0molH2充入2L的空鋼瓶中，發(fā)生反應(yīng)①，在第5min時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，此時(shí)甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.1。在第10min、20min時(shí)分別改變反應(yīng)條件，甲醇的濃度在不同條件下的變化狀況如下圖所示：

①從反應(yīng)開(kāi)始到5min時(shí)，生成甲醇的平均速率為___________。

②H2的平衡轉(zhuǎn)化率α=___________%，化學(xué)平衡常數(shù)K=___________。

③1min時(shí)，υ正___________υ逆(填“大于”“小于”或“等于”)

④1mim時(shí)υ正___________4min時(shí)υ逆(填“大于”“小于”或“等于”)

⑤比較甲醇在7～8min、12～13min和25～27min時(shí)平均反應(yīng)速率[平均反應(yīng)速率分別以υ(7～8)、υ(12～13)、υ(25～27)表示的大小_________________________________。

③若將鋼瓶換成同容積的絕熱容器，重復(fù)上述試驗(yàn)，平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)___________0.1。(填“>”、“<”或“=”)

Answer 1

【答案】－63 kJ·mol－1 CD 0.025 mol·L－1·min－1 25 0.59 大于 大于 υ (12~13)＞υ(7~8)＝υ(25~27) ＜

【解析】

（1）反應(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能；

（2）A、△G=△H-T△S<0反應(yīng)才能自發(fā)；B、升高溫度，正逆反應(yīng)速率均增大；C、使用催化劑，不改變平衡；D、平衡常數(shù)與溫度有關(guān)；

（3）根據(jù)三段式解析。①由速率的定義式計(jì)算；②根據(jù)轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；③反應(yīng)正向進(jìn)行時(shí)，正速率大。④平衡之前，正速率大于逆速率；⑤平衡時(shí)平均速率為0；⑥絕熱條件，放熱反應(yīng)發(fā)生后體系溫度升高。

（1）CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，該反應(yīng)△H2=2×803kJ·mol－1+3×436kJ·mol－1-（3×413+343+465）kJ·mol－1-2×465kJ·mol－1=－63 kJ·mol－1 ；

（2）①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=－99kJ·mol－1

A.△H1=－99kJ·mol－1，△S<0，△G=△H-T△S，該反應(yīng)在低溫下可能自發(fā)進(jìn)行，故A錯(cuò)誤；

B.升高溫度，正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率也增大，故B錯(cuò)誤；

C.使用催化劑，不改變平衡，不能提高CO的轉(zhuǎn)化率，故C正確；

D.平衡常數(shù)與溫度有關(guān)，增大壓強(qiáng)，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)不變，故D正確；

故選CD。

（3）根據(jù)題目數(shù)據(jù)計(jì)算如下：

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)

起始/mol·L－1： 0.5 1 0

反應(yīng)/mol·L－1： X 2X X

平衡/mol·L－1： 0.5-X 1-2X X

甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為 =10%，所以 X=0.125mol·L－1。

①甲醇的速率為0.125mol·L－1÷5min=0.025 mol/(L·min)。

②由上述計(jì)算，反應(yīng)的氫氣為2×0.125 mol·L－1=0.25 mol·L－1，轉(zhuǎn)化率為0.25 mol·L－1÷1 mol·L－1=25%。達(dá)平衡時(shí)CO、H2和CH3OH的物質(zhì)的量濃度分別為：0.375mol·L－1、0.75mol·L－1和0.125mol·L－1，所以平衡常數(shù)K＝0.125/(0.375×0.752)＝0.59。

③1min時(shí)，沒(méi)有達(dá)到平衡，甲醇的濃度增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，υ正>υ逆；

④反應(yīng)達(dá)平衡的速率圖像如下圖：

所以，在達(dá)平衡前任意點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于任意點(diǎn)的逆反應(yīng)速率，即1min時(shí)的υ正(CH3OH)＞4min 時(shí)υ逆(CH3OH )。

⑤12～13min處于非平衡狀態(tài)，反應(yīng)速度大，甲醇在7～8min、25～27min處于平衡狀態(tài)，平均反應(yīng)速率為0，甲醇在7～8min、12～13min和25～27min時(shí)平均反應(yīng)速率的大小：υ(12~13)＞υ(7~8)＝υ(25~27)；

⑥若將鋼瓶換成同容積的絕熱鋼瓶，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，則反應(yīng)放出的熱量不能散發(fā)，會(huì)使體系溫度上升，正反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，甲醇體積分?jǐn)?shù)將減小，所以小于0.1。