Question

15．乙酸是重要的有機(jī)化工原料之一，目前世界上一半以上的乙酸都采用甲醇與CO 反應(yīng)來制備．某實(shí)驗(yàn)小組在一個(gè)恒壓密閉容器中加入 0.20mol CH₃OH 和 0.22mol CO 氣體，發(fā)生反應(yīng) CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l），測(cè)得甲醇的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系如圖1所示，其中曲線Ⅰ表示在 5 個(gè)不同溫度下，均經(jīng)過 5min 時(shí)測(cè)得的甲醇的轉(zhuǎn)化率變化曲線，曲線Ⅱ表示不同溫度下甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率變化曲線，已知在 T₂溫度下，達(dá)到平衡時(shí)容器的體積剛好為 2L．

已知：2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566kJ．mol^-1
2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1529kJ•mol^-1
CH₃COOH（l）+2O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-874kJ•mol^-1按要求回答下列問題：
（1）CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1
（2）在溫度為 T₂時(shí)，從反應(yīng)開始至 5min 時(shí)，用單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量變化…表示的乙酸的平均反應(yīng)速率為0.024mol•min^-1．
（3）在溫度為 T₂時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù) K=500；在 T₃溫度下，C 點(diǎn)時(shí)，ν（正）=ν（逆） （填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）曲線Ⅰ在 T₁～T₂階段，甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度變化升高的原因是反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，故升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，故甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大；
（5）在溫度為 T₂時(shí)，往上述已達(dá)到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入 0.12mol CH₃OH和0.06molCO 混合氣體，平衡的移動(dòng)方向?yàn)椴灰苿?dòng)（填“向左”或“向右”或“不移動(dòng)”），理由是加入氣體的總物質(zhì)的量與原平衡氣體的總物質(zhì)的量相等，體積變?yōu)?L，Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K
（6）在溫度為 T₁時(shí)，乙酸的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)曲線如圖2所示．在 t₁時(shí)，將該反應(yīng)體系溫度上升到 T₃，并維持該溫度．請(qǐng)?jiān)趫D中畫出 t₁時(shí)刻后乙酸物質(zhì)的量變化總趨勢(shì)曲線．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算，由（②+①）÷2-③得出正確結(jié)論，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；
（2）由曲線Ⅰ可知：T₂溫度下，5min時(shí)測(cè)得的甲醇的轉(zhuǎn)化率為60%，故轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量為0.20mol×60%=0.12mol，則生成乙酸的物質(zhì)的量為0.12mol，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$進(jìn)行計(jì)算；
（3）根據(jù)甲醇的轉(zhuǎn)化率計(jì)算平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，再根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積計(jì)算平衡常數(shù)；平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等；
（4）由曲線Ⅰ可知：T₁-T₂階段，5min時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，故升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大；
（5）根據(jù)濃度商與平衡常數(shù)的大小關(guān)系，判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，原平衡體系，氣體總的物質(zhì)的量為0.08mol+0.1mol=0.18mol，體積為2L，在溫度為T₂時(shí)，往上述達(dá)到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合氣體，充入氣體總的物質(zhì)的量為0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故體積變?yōu)樵瓉淼?倍，此時(shí)，甲醇的物質(zhì)的量為0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物質(zhì)的量為0.1mol+0.06mol=0.16mol；
（6）當(dāng)時(shí)間到達(dá)t₁時(shí)，將該反應(yīng)體系溫度迅速上升到T₃，并維持該溫度，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，乙酸的物質(zhì)的量減小，一段時(shí)間后達(dá)到平衡狀態(tài)，乙酸的物質(zhì)的量保持不變，據(jù)此畫出變化圖象．

解答 解：（1）①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-560kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1530kJ•mol^-1
③CH₃COOH（l）+2O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-870kJ•mol^-1
由（②+①）÷2-③得，CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=$\frac{（-560KJ/mol）+（-1530KJ/mol）}{2}$-（-870kJ•mol^-1）=-175kJ•mol^-1，
CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1，△H＜0，△S＜0，則滿足△H-T△S＜0的條件是低溫下反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：-175；
（2）由曲線Ⅰ可知：T₂溫度下，5min時(shí)測(cè)得的甲醇的轉(zhuǎn)化率為60%，故轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量為0.20mol×60%=0.12mol，則生成乙酸的物質(zhì)的量為0.12mol，故在溫度為T₃時(shí)，從反應(yīng)開始至5min時(shí)，用單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量變化表示的乙酸的平均反應(yīng)速率為=0.12/5=0.024mol•min^-1，
故答案為：0.024；
（3）由解答（2）可知：在溫度為T₂時(shí)，轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量為0.12mol，則轉(zhuǎn)化的CO的物質(zhì)的量為0.12mol，故平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量為0.20mol-0.12mol=0.08mol，CO的物質(zhì)的量為0.22mol-0.12mol=0.1mol，故平衡常數(shù)K=$\frac{1}{[C{H}_{3}OH][CO]}$=$\frac{1}{\frac{0.08×0.1}{2}}$=500；
在T₃溫度下，C點(diǎn)時(shí)反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)，故正逆反應(yīng)速率相等，故v_（正）=v_（逆），
故答案為：500；=；
（4）由曲線Ⅰ可知：T₁溫度下，5min時(shí)，反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，故升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，故甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大，
故答案為：反應(yīng)未達(dá)平衡狀態(tài)，故升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，故甲醇轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大；
（5）原平衡體系，氣體總的物質(zhì)的量為0.08mol+0.1mol=0.18mol，體積為2L，在溫度為T₂時(shí)，往上述達(dá)到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合氣體，充入氣體總的物質(zhì)的量為0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故體積變?yōu)樵瓉淼?倍，此時(shí)，甲醇的物質(zhì)的量為0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物質(zhì)的量為0.1mol+0.06mol=0.16mol，則Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K，故平衡不移動(dòng)；
故答案為：不移動(dòng)；加入氣體的總物質(zhì)的量與原平衡氣體的總物質(zhì)的量相等，體積變?yōu)?L，Qc=$\frac{1}{\frac{0.2×0.16}{4}}$=500=K；
（6）當(dāng)時(shí)間到達(dá)t₁時(shí)，將該反應(yīng)體系溫度迅速上升到T₃，并維持該溫度，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，乙酸的物質(zhì)的量減小，一段時(shí)間后達(dá)到平衡狀態(tài)，乙酸的物質(zhì)的量保持不變，故t₁時(shí)刻后的變化總趨勢(shì)曲線為，故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、平衡圖象分析、平衡常數(shù)的計(jì)算機(jī)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，難度較大．要注意根據(jù)濃度商與平衡常數(shù)來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向．