Question

【題目】甲醇是一種可再生能源，由CO2制備甲醇的過(guò)程可能涉及的反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.58 kJmol－1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=－90.77 kJmol－1

回答下列問題：

（1）反應(yīng)Ⅱ的△H2=__________，若反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常數(shù)分別為K1、K2、K3，則K2=________（用K1、K3表示）。

（2）反應(yīng)Ⅲ自發(fā)進(jìn)行條件是___________（填“較低溫度”、“較高溫度”或“任何溫度”）。

（3）在一定條件下2 L恒容密閉容器中充入3 mol H2和1.5 mol CO2，僅發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同反應(yīng)溫度與體系中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，如下表所示。

溫度（℃）	500	T
CO2的平衡轉(zhuǎn)化率	60℅	40℅

①T______500℃(填“高于”或“低于”)。

②溫度為500℃時(shí)，該反應(yīng)10 min時(shí)達(dá)到平衡：

a．用H2表示該反應(yīng)的速率為____________________；

b．該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=______________。

（4）某研究小組將一定量的H2和CO2充入恒容密閉容器中并加入合適的催化劑（發(fā)生反應(yīng)I、Ⅱ、Ⅲ），測(cè)得不同溫度下體系達(dá)到平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率（a）及CH3OH的產(chǎn)率（b），如圖所示。

①該反應(yīng)達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是_____（選填編號(hào)）。

A．升高溫度 B．縮小容器體積 C．分離出甲醇 D．增加CO2的濃度

②據(jù)圖可知當(dāng)溫度高于260℃后，CO的濃度隨著溫度的升高而_________（填“增大”、“減小”、“不變”或“無(wú)法判斷”）。

Answer 1

【答案】（1）+41.19kJmol－1（2分）K1/K3（2分）（2）較低溫度（1分）

（3）高于（1分） 0.135mol·L－1·min－1200 L2/mol2

（4）BD（2分，少選扣1分，錯(cuò)選或多選不給分） 增大（2分）

【解析】試題分析：（1）根據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱；依據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式判斷。

（2）根據(jù)反應(yīng)自發(fā)性的條件結(jié)合方程式分析。

（3）①根據(jù)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響分析。

②根據(jù)轉(zhuǎn)化率結(jié)合三段式計(jì)算反應(yīng)速率和平衡常數(shù)。

（4）①根據(jù)外界條件對(duì)反應(yīng)速率和平衡狀態(tài)的影響分析；

②根據(jù)圖像變化趨勢(shì)結(jié)合反應(yīng)方程式分析判斷。

解析：（1）反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.58 kJmol－1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=－90.77 kJmol－1

則根據(jù)蓋斯定律可知反應(yīng)Ⅱ=反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅲ，因此△H2=△H1-△H3=49.58kJmol-1）-（-90.77kJmol-1）=+41.19 kJmol-1；若反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常數(shù)分別為K1、K2、K3，則K2=K1/K3。

（2）根據(jù)方程式可知反應(yīng)Ⅲ為熵減的反應(yīng)，△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△G=△H-T△S＜0，故要自發(fā)進(jìn)行需要在較低溫度下進(jìn)行；

（3）①反應(yīng)I是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率降低，則T高于500℃。

② CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始濃度（mol/L） 0.75 1.5 0 0

轉(zhuǎn)化濃度（mol/L） 0.45 1.35 0.45 0.45

平衡濃度（mol/L） 0.3 0.15 0.45 0.45

a．用H2表示該反應(yīng)的速率為1.35mol/L÷10min＝0.135 mol·L－1·min－1；

b．化學(xué)平衡常數(shù)是在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值，因此根據(jù)方程式可知該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=＝200 L2/ mol2。

（4）①A．升高溫度，加快反應(yīng)速率，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡逆向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量減小，A錯(cuò)誤；B．縮小容器體積，增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，B正確；C．分離出甲醇，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，但反應(yīng)速率減慢，C錯(cuò)誤；D．增加CO2的濃度，可以加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，D正確，答案選BD；

②反應(yīng)I、反應(yīng)III均為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO2、CO轉(zhuǎn)化為甲醇，反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高使更多的CO2轉(zhuǎn)化為CO，所以當(dāng)溫度高于260℃后，CO的濃度一定增大。