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=－99kJ·mol－1

②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H2

相關物質的化學鍵鍵能數據如下：

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下圖所示：

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_________________________________。

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

【解析】

（1）反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能；

（2）A、△G=△H-T△S<0反應才能自發；B、升高溫度，正逆反應速率均增大；C、使用催化劑，不改變平衡；D、平衡常數與溫度有關；

（3）根據三段式解析。①由速率的定義式計算；②根據轉化率和平衡常數表達式計算；③反應正向進行時，正速率大。④平衡之前，正速率大于逆速率；⑤平衡時平均速率為0；⑥絕熱條件，放熱反應發生后體系溫度升高。

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

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

A.△H1=－99kJ·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.平衡常數與溫度有關，增大壓強，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：

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)

起始/mol·L－1： 0.5 1 0

反應/mol·L－1： X 2X X

平衡/mol·L－1： 0.5-X 1-2X X

甲醇的物質的量分數為 =10%，所以 X=0.125mol·L－1。

①甲醇的速率為0.125mol·L－1÷5min=0.025 mol/(L·min)。

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0.25 mol·L－1÷1 mol·L－1=25%。達平衡時CO、H2和CH3OH的物質的量濃度分別為：0.375mol·L－1、0.75mol·L－1和0.125mol·L－1，所以平衡常數K＝0.125/(0.375×0.752)＝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像如下圖：

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。