Question

【題目】CO和H2是工業上最常用的合成氣，該合成氣的制備方法很多，它們也能合成許多重要的有機物。回答下列問題：

(1)制備該合成氣的一種方法是以CH4和H2O為原料，有關反應的能量變化如圖所示。

CH4 (g)與H2O(g)反應生成CO(g)和H2 (g)的熱化學方程式為____。

(2)工業乙醇也可用CO和H2合成，常含一定量甲醇，各國嚴禁使用成本低廉的工業酒精勾兌食用酒，但一般定性的方法很難檢測出食用酒中的甲醇。有人就用硫酸酸化的橙色K2Cr2O7溶液定量測定混合物中甲醇的含量，甲醇與酸性K2Cr2O7溶液反應生成CO2、Cr2(SO4)3等物質，寫出其化學方程式 ___________。

(3)為了檢驗由CO和H2合成氣合成的某有機物M的組成，進行了如下測定：將1.84gM在氧氣中充分燃燒，將生成的氣體混合物通過足量的堿石灰，堿石灰 增重4. 08 g，又知生成CO2和H2O的物質的量之比為3:4。則M中碳、氫、氧原子個數之比為____。

(4) CO2和H2合成甲醇涉及以下反應：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H=-49.58kJ/mol。在反應過程中可以在恒壓的密閉容器中，充入一定量的CO2和H2，測得不同溫度下，體系中CO2的平衡轉化率與壓強的關系曲線如圖所示：

①反應過程中，表明反應達到平衡狀態的標志是______;

A.生成3mol O-H鍵，同時斷裂3mol H-H鍵 B.容器中氣體的壓強不再變化

C.容器中氣體的平均摩爾質量不變 D.CH3OH的濃度不再改變

②比較T1與T2的大小關系：T1 ___T2 (填“<”、“=”或“>”)。

③在T1和P2的條件下，向密閉容器中充入1mol CO2和3mol H2，該反應在第5 min時達到平衡，此時容器的容積為2.4 L，則該反應在此溫度下的平衡常數為____，保持T1和此時容器的容積不變，再充入1mol CO2和3mol H2，設達到平衡時CO2的總轉化率為a，寫出一個能夠解出a的方程或式子 ___(不必化簡，可以不帶單位)。

Answer 1

【答案】CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+(-p+3n+m)kJ·mol－1 CH3OH+K2Cr2O7+4H2SO4=CO2+K2SO4+Cr2(SO4)3+6H2O 3:8:3 CD ＜ 3

【解析】

(1)根據圖像書寫熱化學方程式，結合蓋斯定律計算反應熱；

(2)結合提供信息，利用氧化還原反應電荷守恒和物料守恒書寫方程式；

(3)根據有機物燃燒碳原子守恒、氫原子守恒，以及生成物的比例關系列方程計算M中的碳、氫、氧數目；

(4)①根據平衡狀態的特點，以及變量變成不變量時反應達到平衡等分析判斷；

②二氧化碳的轉化率隨溫度的升高而降低，據此分析；

③列“三段式”，利用溫度不變，平衡常數不變的關系進行解答計算。

(1)依據三個能量關系圖像寫出對應的熱化學方程式：CO(g)＋O2(g)= CO2(g) ΔH1＝－m kJ·mol－1；H2(g)＋O2(g)=H2O(g) ΔH2＝－n kJ·mol－1；CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)+ 2H2O(g)ΔH3＝－p kJ·mol－1；由蓋斯定律得：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)ΔH＝ΔH3－3ΔH2－ΔH1＝+(－p+3×n+m)kJ·mol－1；

(2)甲醇與酸性K2Cr2O7溶液反應生成CO2、Cr2(SO4)3，Cr的化合價降低3，碳的化合價升高6，根據電荷守恒，物料守恒可得CH3OH+K2Cr2O7+4H2SO4=CO2+K2SO4+Cr2(SO4)3+6H2O；

(3)根據1.84g M中含Cx mol，含H y mol，據題意有，解得x=0.06 y=0.16；則1.84g M中含氧物質的量z= =0.06 mol，1mol M中含C、H、O分別為3、8、3，則M中碳、氫、氧原子個數之比為3:8:3；

(4)①A．斷裂3 mol H—H鍵就意味著消耗了3molH2，CH3OH和H2O中均有H—O鍵，即反應生成了3mol O-H鍵，均表明正反應速率的變化關系，所以不能說明v正=v逆，故A錯誤；

B．由于反應過程中容器的壓強一直保持不變，故“壓強不再變”的時刻也不能說明v正=v逆，故B錯誤；

C．容器中反應物、生成物均為氣體，氣體總質量m一直保持不變，但反應前后氣體物質的量差△n≠0，即只有當反應達到平衡狀態時，體系的總物質的量n才不再變化，故由M=知“平均摩爾質量不變”能夠表明反應達到平衡狀態，故C正確；

D．“CH3OH的濃度不再改變”表明，單位時間內生成和消耗的CH3OH的濃度相等，即v正=v逆，反應達到平衡狀態，故D正確；

答案選CD；

②由ΔH＝－49.58 kJ·mol－1＜0，知正反應為放熱反應，在同一壓強下，溫度升高可使CO2的轉化率降低，再由圖像可知T1＜T2；

③由圖1知，在T1和p2的條件下，平衡時CO2的轉化率為60%。消耗的CO2為1mol ×60%＝0.6 mol，故有如下關系：

結合容器的體積(2.4L)有，平衡體系中各物質的濃度為c(CO2)=mol·L－1，c(H2)=mol·L－1，c(CH3OH)=mol·L－1，c(H2O)=mol·L－1，則該條件下的平衡常數為；由于再充入原料氣時，反應溫度沒變，即K不變。設達到平衡時CO2的總轉化率為a，則整個過程中反應的CO2為2a mol，同理有如下關系：

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