Question

6．工業(yè)上一般在密閉容器中采用下列反應(yīng)合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
（1）不同溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．
①該反應(yīng)△H＜0，△S＜0（填“＞”或“＜”），則該反應(yīng)不一定  自發(fā)進(jìn)行（填“一定能”、“一定不能”、“不一定”）
②實(shí)際生產(chǎn)條件控制在250℃、l．3×l0⁴kPa左右，選擇此壓強(qiáng)的理由是該壓強(qiáng)下，CO轉(zhuǎn)化率已較高（90%左右），再增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且生產(chǎn)成本增加．
（2）某溫度下，將3molCO和6molH₂充入2L的密閉容器中，充分反應(yīng)后，達(dá)到平衡時(shí)測得c（CO）=0.5mol•L ^-1．
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2：
②在其他條件不變的情況下，將容器體積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，與原平衡相比，下列有關(guān)說法正確的是bc（填序號(hào)）．
a．氫氣的濃度減少          b．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率也加快
c．甲醇的物質(zhì)的量增加      d．重新平衡時(shí)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
③若保持同一反應(yīng)溫度將起始物質(zhì)改為a mol CO、b mol H₂、c mol CH₃OH，欲使平衡混合物中各組成與原平衡相同，則a、b應(yīng)滿足的關(guān)系為b=2a，且欲使開始時(shí)該反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，c的取值范圍是2＜c≤3．

Answer 1

分析 （1）①由圖象可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，據(jù)此判斷△H；根據(jù)反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量的變化判斷△S；根據(jù)△G=△H-T△S判斷反應(yīng)自發(fā)性問題；
②由圖可知，在250℃、1.3×10⁴kPa左右，CO轉(zhuǎn)化率已較高（達(dá)90%左右），增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且生產(chǎn)成本增加；
（2）①利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，再根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
②增大壓強(qiáng)，正、逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正反應(yīng)方向，平衡時(shí)各組分的濃度都增大，據(jù)此判斷；
③各組成與原平衡相同說明為等效平衡，恒溫恒容，前后氣體體積變化，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，滿足對(duì)于物質(zhì)的物質(zhì)的量相等即可，據(jù)此解答a、b的關(guān)系；
計(jì)算出平衡時(shí)CH₃OH（g）的物質(zhì)的量，c大于此值平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，得到3mol CO時(shí)c的值最大，據(jù)此計(jì)算解答．

解答 解：（1）①由圖象可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0；
該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，故熵減小，即△S＜0；
由△G=△H-T△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，可知該反應(yīng)在低溫趨向自發(fā)進(jìn)行，高溫下不能自發(fā)進(jìn)行，該反應(yīng)不一定自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：＜；＜；不一定能；
②由圖可知，在250℃、1.3×10⁴kPa左右，CO轉(zhuǎn)化率已較高（達(dá)90%左右），增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且生產(chǎn)成本增加，故實(shí)際生產(chǎn)條件控制在1.3×10⁴kPa左右，
故答案為：該壓強(qiáng)下，CO轉(zhuǎn)化率已較高（90%左右），再增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率提高不大，且生產(chǎn)成本增加；
（2）①3molCO和6molH₂充入2L的密閉容器中，CO、H₂的起始濃度分別為：$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，充分反應(yīng)后，達(dá)到平衡時(shí)測得c（CO）=0.5 mol/L，CO濃度變化為1.5mol/L-0.5mol/L=1mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃0H（g）
開始（mol/L）：1.5    3        0
變化（mol/L）：1      2        1
平衡（mol/L）：0.5    1        1
故該溫度下，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{1}{{1}^{3}×0.5}$=2，
故答案為：2；
②a．增大壓強(qiáng)，平衡時(shí)氫氣的濃度增大，故a錯(cuò)誤；
b．增大壓強(qiáng)，反應(yīng)物、生成物的濃度都增大，故正、逆反應(yīng)速率都加快，故b正確；
c．增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的物質(zhì)的量增加，故c正確；
d．增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡時(shí)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$減小，故d錯(cuò)誤，
故答案為：bc；
③各組成與原平衡相同說明為等效平衡，恒溫恒容，前后氣體體積變化，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，滿足對(duì)于物質(zhì)的物質(zhì)的量相等即可，所以有：a+c=3，b+2c=6，整理得b=2a；
由①計(jì)算可知，平衡時(shí)CH₃OH的物質(zhì)的量為1mol/L×2L=2mol，所以c＞2mol平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行．按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，得到3mol CO時(shí)c的值最大，所以c最大為3mol．所以2＜c＜≤3，
故答案為：b=2a；2＜c≤3．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較大，涉及化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性判斷、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素、等效平衡計(jì)算等知識(shí)，題目濃度較大，（2）③注意等效思想的運(yùn)用以及運(yùn)用極限方法確定c的取值范圍．