Question

“潔凈煤技術”研究在世界上相當普遍，科研人員通過向地下煤層氣化爐中交替鼓入空氣和水蒸氣的方法，連續產出了高熱值的煤炭氣，其主要成分是CO和H₂。CO和H₂可作為能源和化工原料，應用十分廣泛。生產煤炭氣的反應之一是：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)?131.4 kJ。
（1）在容積為3L的密閉容器中發生上述反應，5min后容器內氣體的密度增大了0.12g／L，用H₂O表示0～5miin的平均反應速率為_________________________。
（2）能說明該反應已達到平衡狀態的是________（選填編號）。
a．v_正 (C)= v_逆(H₂O)   b．容器中CO的體積分數保持不變
c．c(H₂)=c(CO)        d．炭的質量保持不變
（3）若上述反應在t₀時刻達到平衡(如圖)，在t₁時刻改變某一條件，請在右圖中繼續畫出t₁時刻之后正反應速率隨時間的變化：

①縮小容器體積，t₂時到達平衡(用實線表示)；
②t₃時平衡常數K值變大，t₄到達平衡(用虛線表示)。
（4）在一定條件下用CO和H₂經如下兩步反應制得甲酸甲酯：
①CO(g) + 2H₂(g)CH₃OH(g)   ②CO(g) + CH₃OH(g)HCOOCH₃(g)
①反應①中CO的平衡轉化率(α)與溫度、壓強的關系如圖所示。在不改變反應物用量的情況下，為提高CO的轉化率可采取的措施是                                。

②已知反應①中CO的轉化率為80%，反應②中兩種反應物的轉化率均為85%，則5.04kgCO最多可制得甲酸甲酯        kg。

Answer 1

(本題共10分)（1）0.002mol/(L·min)(2分) （2）b、d(2分) 
（3）（圖略，合理給分）①t₁時突增的u_正漸增至t₂時保持不變；②t₃時突增的u_正漸減至t₄時保持不變(各1分)
（4）①降溫、加壓；將甲醇從混合體系中分離出來(2分)②4.08(2分)

試題分析：（1）5min后容器內氣體的密度增大了0.12g／L，因此氣體的質量增加了0.12g/L×3L＝0.36g，根據方程式可知：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g) △m↑
1mol                     12g
0.03mol                  0.36g
所以消耗水蒸氣的物質的量濃度是0.03mol÷3L＝0.01mol/L，因此用H₂O表示0～5miin的平均反應速率為0.01mol/L÷5min＝0.002mol/(L·min)。
（2）在一定條件下，當可逆反應的正反應速率和逆反應速率相等時（但不為0），反應體系中各種物質的濃度或含量不再發生變化的狀態，稱為化學平衡狀態。a．碳是固體，不能用來表示，a不正確；b．容器中CO的體積分數保持不變，說明反應得到平衡狀態，b正確；c．c(H₂)=c(CO)，但沒有指明反應的方向，所以可逆反應不一定達到平衡狀態，c不正確；d．炭的質量保持不變，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，d正確，答案選bd。
（3）①縮小容器體積，壓強增大，反應速率增大。正方應是體積增大的可逆反應，所以平衡向逆反應方向移動，即正反應速率逐漸增大到鋅平衡，因此曲線可以表示為。
②t₃時平衡常數K值變大，說明平衡向正反應方向移動。正方應是吸熱反應，所以改變的條件是升高溫度，因此正反應速率增大，然后逐漸減小到新平衡狀態，所以曲線可以表示為。
（4） ①根據圖像可知，在壓強相同時，溫度越高，CO的轉化率越低，這說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，因此正方應是放熱反應。溫度相同時，壓強越大，CO的轉化率越高，所以為提高CO的轉化率可采取的措施是降溫、加壓或將甲醇從混合體系中分離出來。
②5.04kgCO的物質的量是5040g÷28g/mol＝180mol。設參加反應①的CO物質的量是x，則參加反應②的CO物質的量是180mol－x。反應①中CO的轉化率為80%，則反應中生成的甲醇物質的量是0.8x。在反應②中兩種反應物的轉化率均為85%，則0.8x×0.85＝(180mol－x)×0.85，解得x＝100mol，所以實際生成的甲酸甲酯的物質的量是0.8x×0.85＝68mol，其質量是68mol×60g/mol＝4080g＝4.08kg。