Question

【題目】研究減少CO2排放是一項重要課題。CO2經(jīng)催化加氫可以生成低碳有機物，主要有以下反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) △H1＝－49.6 kJ/mol

反應(yīng)Ⅱ：CH3OCH3(g)＋H2O(g)2CH3OH(g) △H2＝＋23.4 kJ/mol

反應(yīng)Ⅲ：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g) △H3

（1）△H3＝____kJ/mol。

（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)I。下列描述能說明反應(yīng)I達到平衡狀態(tài)的是___（填序號）。

A．反應(yīng)體系總壓強保持不變

B．容器內(nèi)的混合氣體的密度保持不變

C．水分子中斷裂2NA個H-O鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H-H鍵

D．CH3OH和H2O的濃度之比保持不變

（3）反應(yīng)II在某溫度下的平衡常數(shù)為0.25，此溫度下，在密閉容器中加入等物質(zhì)的量的CH3OCH3(g)和H2O(g)，反應(yīng)到某時刻測得各組分濃度如下：

物質(zhì)	CH3OCH3(g)	H2O(g)	CH3OH(g)
濃度/mol·L－1	1.8	1.8	0.4

此時v正___v逆（填“＞”、“＜”或“＝”），當反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，混合氣體中CH3OH體積分數(shù)(CH3OH)% ＝___%。

（4）在某壓強下，反應(yīng)III在不同溫度、不同投料比時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如圖所示。T1溫度下，將6mol CO2和12mol H2充入2 L的密閉容器中，5min后反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，則0～5min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OCH3)＝____；KA、KB、KC三者之間的大小關(guān)系為____。

（5）恒壓下將CO2和H2按體積比1：3混合，在不同催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)I和反應(yīng)III，在相同的時間段內(nèi)CH3OH的選擇性和產(chǎn)率隨溫度的變化如圖。其中：CH3OH的選擇性＝×100%

①溫度高于230℃，CH3OH產(chǎn)率隨溫度升高而下降的原因是_____。

②在上述條件下合成甲醇的工業(yè)條件是____。

p>A．210℃ B．230℃ C．催化劑CZT D．催化劑CZ(Zr－1)T

Answer 1

【答案】－122.6 AC ＞ 20 0.18mol·L1·min1 KA＝KC＞KB 反應(yīng)I的△H＜0溫度升高，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率下降 BD

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律以及熱化學方程式進行計算；

（2）根據(jù)化學平衡狀態(tài)的判斷標志進行判斷；

（3）根據(jù)濃度商和化學平衡常數(shù)的大小關(guān)系判斷反應(yīng)進行的方向；設(shè)未知數(shù)利用化學平衡常數(shù)列出三段式解方程，進而計算體積分數(shù)；

（4）根據(jù)圖像確定CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，進而計算CH3OCH3的生成量，再利用化學反應(yīng)速率的計算公式計算v(CH3OCH3)；根據(jù)化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，化學平衡常數(shù)不變，得出KA＝KC，再根據(jù)該反應(yīng)為正向放熱的反應(yīng)，降溫平衡逆向移動，結(jié)合圖像判斷T1、T2的大小關(guān)系，從而得出KA、KC、KB三者的關(guān)系；

（5）反應(yīng)I的△H＜0，升溫平衡逆向移動，CO2轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率降低，CH3OH產(chǎn)率下降，再結(jié)合圖像判斷合成甲醇的工業(yè)條件。

（1）根據(jù)蓋斯定律知，反應(yīng)III=反應(yīng)Ⅰ×2-反應(yīng)Ⅱ，因此，△H3=△H1×2-△H2=－49.6 kJ/mol×2-23.4 kJ/mol=-122.6 kJ/mol；

故答案為：－122.6；

（2）反應(yīng)條件為恒溫恒容，反應(yīng)I：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)為反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量減少的反應(yīng)，

A. 該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量減少的反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進行氣體物質(zhì)的量減少，體系總壓強減小，因此當反應(yīng)體系總壓強保持不變時能說明反應(yīng)I達到平衡狀態(tài)，A項正確；

B. 根據(jù)質(zhì)量守恒定律知混合氣體的總質(zhì)量不變，容器容積也不變，則隨著反應(yīng)的進行，容器內(nèi)的混合氣體的密度始終保持不變，因此當反容器內(nèi)的混合氣體的密度保持不變時不能說明反應(yīng)I達到平衡狀，B項錯誤；

C. 當水分子中斷裂2NA個H－O鍵時會有3NA個H－H鍵形成，即生成3mol氫分子，若同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵，即消耗3mol氫分子，則氫氣的物質(zhì)的量保持不變，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，因此水分子中斷裂2NA個H－O鍵，同時氫分子中斷裂3NA個H－H鍵能說明反應(yīng)I達到平衡狀，C項正確；

D. 反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度保持不變，但CH3OH和H2O的濃度之比始終等于1:1，因此CH3OH和H2O的濃度之比保持不變不能說明反應(yīng)I達到平衡狀，D項正確；

故答案為：AC；

（3）此刻反應(yīng)的濃度商，因此反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，v正>v逆；

設(shè)起始時CH3OCH3和H2O的物質(zhì)的量均為a mol，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，CH3OCH3的轉(zhuǎn)化量為x mol，則可列出三段式：

CH3OCH3(g) ＋ H2O(g)2CH3OH(g)

起始（mol） a mol a mol 0

轉(zhuǎn)化（mol） x mol x mol 2x mol

平衡（mol） (a-x)mol (a-x)mol 2x mol

則化學平衡常數(shù)，解得：x=0.2a，則混合氣體中CH3OH的物質(zhì)的量為0.4a，混合氣體總物質(zhì)的量不變?nèi)詾?/span>2a，因此混合氣體中CH3OH體積分數(shù)；

故答案為：＞；20；

（4）由圖可知，在T1溫度下，將6 molCO2和12molH2充入2 L的密閉容器中時，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為60%，因此CO2的轉(zhuǎn)化量為6 mol×60%=3.6，則生成CH3OCH3的物質(zhì)的量為1.8mol，；

化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，化學平衡常數(shù)不變，則KA＝KC，由圖像可知，當投料比相同時，T1溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率較大，該反應(yīng)為正向放熱的反應(yīng)，降溫平衡正向移動，化學平衡常數(shù)增大，因此T1<T2，KA＝KC＞KB；

故答案為：0.18mol·L1·min1；KA＝KC＞KB；

（5）①反應(yīng)I的△H＜0，在相同的時間段內(nèi)反應(yīng)，230℃反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，升溫平衡逆向移動，CO2轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化率降低，CH3OH產(chǎn)率下降；

故答案為：反應(yīng)I的△H＜0溫度升高，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率下降；

②由圖像可知在230℃下CH3OH的轉(zhuǎn)化率最高，催化劑CZ(Zr－1)T對CH3OH的選擇性最好，因此合成甲醇的工業(yè)條件是230℃，催化劑CZ(Zr－1)T。

故答案為：BD。