Question

【題目】甲醇是重要的化工原料，利用煤化工中生產的CO、CO2和H2可制取甲醇等有機物，發生的反應有：

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=－99kJmol-1

②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H2

相關物質的化學鍵鍵能數據如下：CH3OH結構式

化學鍵	C=O(CO2)	H—H	C—O	H—O	C—H
E/(kJ·mol-1)	803	436	343	465	413

(1)該反應△H2=____________。

(2)關于反應①下列說法，正確的是____________。

A.該反應在任何溫度下都能自發進行

B.升高溫度，正反應速率增大，逆反應速率減小

C.使用催化劑，不能提高CO的轉化率

D.增大壓強，該反應的化學平衡常數不變

(3)在某溫度下，將1.0moCO與2.0molH2充入2L的空鋼瓶中，發生反應①，在第5min時達到化學平衡狀態，此時甲醇的物質的量分數為0.1。在第10min、20min時分別改變反應條件，甲醇的濃度在不同條件下的變化狀況如圖所示：

①從反應開始到5min時，生成甲醇的平均速率為____________。

②H2的平衡轉化率α=____________%，化學平衡常數K=____________。

③1min時，υ正____________υ逆(填“大于”“小于”或“等于”)

④1mim時υ正____________4min時υ逆(填“大于”“小于”或“等于”)

⑤比較甲醇在7～8min、12～13min和25～27min時平均反應速率[平均反應速率分別以υ(7～8)、υ(12～13)、υ(25～27)表示的大小____________。

⑥若將鋼瓶換成同容積的絕熱容器，重復上述試驗，平衡時甲醇的物質的量分數____________0.1(填“>”、“<”或“=”)。

Answer 1

【答案】－63kJ·mol-1 CD 0.025mol·L-1·min-1 25 0.59 大于 大于 υ(12~13)>υ(7~8)＝υ(25~27) <

【解析】

反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能；根據三段式解析，計算求得反應速率、轉化率和平衡常數；反應正向進行時，正反應速率大于逆反應速率；平衡時平均速率為0；絕熱條件，放熱反應發生后體系溫度升高，考慮平衡移動的方向。

(1)反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能，CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，該反應△H2=2×803 kJ·mol-1+3×436 kJ·mol-1-(3×413+343+465)kJ·mol-1-2×465 kJ·mol-1=－63 kJ·mol-1；

(2)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H1=－99 kJ·mol-1

A. △H1=－99 kJ·mol-1，△S<0，△G=△H-T△S，該反應在低溫下可能自發進行，故A錯誤；

B.升高溫度，正反應速率增大，逆反應速率也增大，故B錯誤；

C.使用催化劑，不改變平衡，不能提高CO的轉化率，故C正確；

D.平衡常數只與溫度有關，增大壓強，溫度不變，該反應的化學平衡常數不變，故D正確；

故選CD。

(3)根據題目數據計算如下：

甲醇的物質的量分數為=10%，所以 x=0.125mol·L-1；

甲醇的速率=0.025 mol·L-1·min-1；

②由上述計算，反應的氫氣為2×0.125 mol·L-1=0.25 mol·L-1，轉化率為×100%=25%；達平衡時CO、H2和CH3OH的物質的量濃度分別為：0.375 mol·L-1、0.75 mol·L-1和0.125 mol·L-1，所以平衡常數K＝＝0.59；

③1min時，沒有達到平衡，甲醇的濃度增大，反應正向進行，υ正>υ逆；

④反應達平衡的速率圖象如下圖：

所以，在達平衡前任意點的正反應速率大于任意點的逆反應速率，即1min時的υ正(CH3OH)＞4min 時υ逆(CH3OH )；

⑤12～13min處于非平衡狀態，反應速度大，甲醇在7～8min、25～27min處于平衡狀態，平均反應速率為0，甲醇在7～8min、12～13min和25～27min時平均反應速率的大小：υ(12~13)>υ(7~8)＝υ((25~27)；

⑥若將鋼瓶換成同容積的絕熱鋼瓶，重復上述實驗，則反應放出的熱量不能散發，會使體系溫度上升，正反應放熱，溫度升高，平衡逆向移動，甲醇體積分數將減小，所以小于0.1。