Question

5．煤的氣化可以減少環境污染，而且生成的CO和H₂被稱作合成氣，能合成很多基礎有機化工原料．
（1）工業上可利用CO生產乙醇：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
又知：H₂O（l）═H₂O（g）△H₂
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
工業上也可利用CO₂（g）與H₂（g）為原料合成乙醇：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H
則△H與△H₁、△H₂、△H₃之間的關系是△H=△H₁-3△H₂-2△H₃．
（2）一定條件下，H₂、CO在體積固定的絕熱密閉容器中發生如下反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），下列選項不能判斷該反應達到平衡狀態的是a、b．
a．v（H₂）正=2v（CO）逆
b．平衡常數K不再隨時間而變化
c．混合氣體的密度保持不變
d．CH₃OCH₃和H₂O的體積之比不隨時間而變化
（3）工業可采用CO與H₂反應合成再生能源甲醇，反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），在一容積可變的密閉容器中充有10mol CO和20mol H₂，在催化劑作用下發生反應生成甲醇，CO的平衡轉化率（α）與溫度（T）、壓強（p）的關系如圖1所示．
①合成甲醇的反應為放熱（填“放熱”或“吸熱”）反應．
②A、B、C三點的平衡常數KA、KB、KC的大小關系為K_A=K_B＞K_C．p₁和p₂的大小關系為P₁＜P₂．
③若達到平衡狀態A時，容器的體積為10L，則在平衡狀態B時容器的體積為2L．

（4）工業上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應的熱化學方程式為CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H₂=-29.1kJ•mol^-1．科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如圖2、3：
①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業制取甲酸甲酯應選擇的壓強是4.0×10⁶Pa（填“3.5×10⁶Pa”“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”）．
②實際工業生產中采用的溫度是80℃，其理由是高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．

Answer 1

分析 （1）①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
②H₂O（l）?H₂O（g）△H₂
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
根據蓋斯定律，方程式①-3×②-2×③得到方程2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l），據此計算△H；
（2）當反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態；
（3）①由圖1可知，壓強一定時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動；
②平衡常數與濃度、壓強無關，只與溫度有關，結合平衡移動判斷；增大壓強平衡正移，CO的轉化率增大；
③A、B兩點溫度相等，壓強不同，平衡常數相同，利用三段式計算A、B兩點平衡時各組分物質的量，根據A點各物質的濃度計算平衡常數，再根據平衡常數計算B點體積；
（4）①由圖可知，在4.0×10⁶Pa時轉化率相對比較大，再增大壓強，轉化率增大不多，會對設備要求較大；
②由圖可知，高于80℃時，溫度對反應速率影響較小；且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．

解答 解：（1）已知：①2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
②H₂O（1）═H₂O（g）△H₂
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
根據蓋斯定律，則①-②×3-③×2得2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O，則：△H=△H₁-3△H₂-2△H₃，
故答案為：H=△H₁-3△H₂-2△H₃；
（2）a．v（H₂）正=2v（CO）逆與化學計量數對應成比例，能說明達到平衡，故a正確；
b．平衡常數與濃度、壓強無關，只與溫度有關，溫度一定時平衡常數為定值，絕熱密閉容器中，容器中的溫度隨著反應進行不斷變化，則平衡常數不斷變化，當平衡常數不變時說明達到了平衡狀態，故b正確；
c．容器體積不變，混合氣體總質量不變，混合氣體密度始終保持不變，不能說明得到平衡，故c錯誤；
d．隨著反應的進行，CH₃OCH₃和H₂O的體積之比始終不隨時間而變化，無法說明反應到達平衡，故d錯誤，
故答案為：a、b；
（3）①由圖1可知，壓強一定時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，即正反應為放熱反應，故答案為：放熱；
②平衡常數與壓強無關，只與溫度有關，A、B溫度相等，則K_A=K_B，相同壓強下，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則平衡常數減小，故K_B＞K_C，故K_A=K_B＞K_C；增大壓強平衡正移，CO的轉化率增大，已知P₂條件下，CO的轉化率大，則P₁＜P₂；
故答案為：K_A=K_B＞K_C； P₁＜P₂；
③A、B兩點溫度相等，壓強不同，平衡常數相同，
對應A點，CO轉化率為0.5，參加反應CO為10mol×0.5=5mol，
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（mol）：10      20          0
轉化（mol）：5       10          5
平衡（mol）：5       10          5
故T₁溫度下，平衡常數K=$\frac{\frac{5}{10}}{\frac{5}{10}×（\frac{10}{10}）^{2}}$=1
對應B點，CO轉化率為0.8，參加反應CO為10mol×0.8=8mol，
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（mol）：10      20         0
轉化（mol）：8       16         8
平衡（mol）：2        4         8
設平衡時的體積為VL，則$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=1，解得V=2
故答案為：2；
（4）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率變化最大的是34.0×10⁶Pa，再增大壓強，轉化率增大不多，會對設備要求較大，因選擇壓強：4.0×10⁶Pa，
故答案為：4.0×10⁶Pa；
②由圖可知，溫度在高于80°C對反應速率影響不大，反應是放熱反應，溫度過高，平衡逆向進行，甲醇轉化率會降低，
故答案為：高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．

點評 本題考查化學平衡常數有關計算、化學平衡圖象及影響因素、化學平衡狀態判斷、反應熱計算，注意掌握化學平衡常數的應用，掌握三段式計算方法，難度中等．