Question

11．甲醇是重要的化工原料，又可稱為燃料．利用合成氣（主要成分為CO、CO₂和H₂）在催化劑的作用下合成甲醇，發生的主反應如下：
①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ•mol^-1
③CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）已知反應①中的相關的化學鍵鍵能數據如下：

化學鍵	H-H	C-O	C$\frac{\underline{\;←\;}}{\;}$O	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1076	465	x

則x=413．
（2）若T℃時將6molCO₂和 8molH₂充入2L密閉容器中發生反應②，測得H₂的物質的量隨時間的變化如圖1中狀態Ⅰ（圖中實線）所示．圖中數據A（1，6）代表在1min時H₂的物質的量是6mol．

①T℃時狀態I條件下，0--3min內CH₃OH的平均反應速率v=0.28mol/（L•min）（保留兩位有效數字），
平衡常數K=0.5；
②其他條件不變時，僅改變某一條件后測得H₂的物質的量隨時間變化如圖中狀態Ⅱ所示，則改變的條件可能是增大壓強．
③一定溫度下，此反應在恒容容器中進行，能判斷該反應達到化學平衡狀態依據的是abc
a．容器中壓強不變
b．CO₂和水蒸氣的體積比保持不變
c．v正（H₂）=3v逆（CH₃OH ）
d．氣體的密度不再隨時間的改變而變化
④CO與H₂在密閉容器中發生反應①，按照相同的物質的量投料，測得CO在不同溫度下的平衡轉化率與壓強的關系如圖2所示．下列說法正確的是A
A．溫度：T₁＜T₂＜T₃
B．正反應速率：v（a）＞v（c）；v（b）＞v（d）
C．平衡常數：K（a）＞K（c）；K（b）＞K（d）
D．平均摩爾質量：M（a）＜M（c）；M（b）＞M（d）
⑤800K向下列起始體積相同的密閉容器中充入1molCO、2molH₂發生反應①，如圖3所示甲容器在反應過程中保持壓強不變，乙容器保持體積不變達到平衡時H₂的濃度c （H₂）甲＞c（H₂）乙．

Answer 1

分析 （1）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol
③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41kJ/mol
根據蓋斯定律，②-③=①，據此計算△H，再結合鍵能計算x；
（2）①根據反應速率的計算公式進行計算0～3min內CH₃OH的平均反應速率；由圖可知，T℃時平衡時氫氣的物質的量為2mol，參加反應的氫氣的物質的量為8mol-2mol=6mol，氫氣的濃度變化量為=$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，據此結合三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數表達式計算；
②Ⅱ在4min達到平衡，且平衡時氫氣的物質的量比Ⅰ小，說明反應速率加快，且平衡正向移動，再根據影響化學平衡的因素分析可得；
③可逆反應平衡時，正逆反應速率相等，各組分含量保持不變，據此分析；
④A．該反應為放熱反應，溫度越低，CO的轉化率越大；
B．由圖可知，a、c兩點壓強相同，平衡時a點CO轉化率更高，該反應為放熱反應，溫度越低，CO的轉化率越大，故溫度T₁＜T₃，溫度越高，反應速率越快；b、d兩點壓強相同，溫度越高，反應速率越大；
C．由圖可知，a、c兩點壓強相同，平衡時a點CO轉化率更高，該反應為放熱反應，故溫度T₁＜T₃，降低溫度平衡向正反應方向移動，K值增大．平衡常數只與溫度有關，b、d兩點溫度相同，平衡常數相同；
D．CO轉化率的越大，n_總越小，由M=$\frac{m}{n}$，判斷；
⑤甲為恒溫恒壓容器，乙為恒溫恒容容器，800K向下列起始體積相同的密閉容器中充入1molCO、2molH₂發生反應①，CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），隨反應進行甲中氣體物質的量減小，壓強減小，乙中隨氣體壓強減小體積縮小，過程中壓強大于甲，相對于甲可以是平衡正向進行最后達到平衡狀態．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol
③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41kJ/mol
根據蓋斯定律，②-③=①，則①中的△H=-58kJ/mol-41kJ/mol=-99kJ/mol；
此時△H=反應物的鍵能和-生成物的鍵能和=（1076kJ•mol^-1+435×2kJ•mol^-1）-（xkJ•mol^-1×3+465kJ•mol^-1+343kJ•mol^-1）=-99kJ/mol，解得x=413，
故答案為：413；
（2）①T℃時狀態I條件下，3min時H₂的物質的量為3mol；變化5mol，根據反應  CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）可知CH₃OH（g）的變化物質的量為$\frac{5}{3}$mol，此時0～3min內CH₃OH的平均反應速率v=$\frac{\frac{\frac{5}{3}mol}{2L}}{3min}$≈0.28mol/（L•min）；
由圖可知，T℃時平衡時氫氣的物質的量為2mol，參加反應的氫氣的物質的量為8mol-2mol=6mol，氫氣的濃度變化量為$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，則：
                      CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：3             4                0                   0   
變化（mol/L）：1             3                 1                  1
平衡（mol/L）：2             1                 1                  1
故該溫度下平衡常數k=$\frac{1×1}{2×{1}^{3}}$=0.5，
故答案為：0.28 mol/（L•min）；0.5；
②從圖象可知：Ⅱ在4min達到平衡，說明反應速率加快，可為升高溫度，加催化劑，增大壓強，平衡時氫氣的物質的量比Ⅰ小，說明平衡正向移動，該反應放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，催化劑不影響平衡，該反應是個氣體體積減小的反應，增大壓強，平衡正向移動，則應該是增大壓強；
故答案為：增大壓強；
③反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol在恒容容器中進行，
a．反應氣體體積減小，恒容時，隨著反應的進行，壓強減小，平衡后，容器中壓強保持不變，故a正確；
b．二氧化碳和水蒸氣體積比保持不變，說明在內反應速率相同，反應達到平衡狀態，故b正確；
c．v_正（H₂）=3v_正（CH₃OH）=3v_逆（CH₃OH），正逆反應速率相等，反應平衡，故c正確；       
d．氣體質量和容器體積保持不變，任何時刻，氣體的密度不再隨時間的改變而變化，故d錯誤；
故答案為：abc；
④A．該反應為放熱反應，溫度越低，CO的轉化率越大，則T₁＜T₂＜T₃，故A正確；
B．由圖可知，a、c兩點壓強相同，平衡時a點CO轉化率更高，該反應為放熱反應，溫度越低，CO的轉化率越大，故溫度T₁＜T₃，溫度越高，反應速率越快，故υ（a）＜υ（c）．b、d兩點溫度相同，壓強越大，反應速率越大，b點大于d點壓強，則v（b）＞v（d），故B錯誤；
C．由圖可知，a、c兩點壓強相同，平衡時a點CO轉化率更高，該反應為放熱反應，故溫度T₁＜T₃，降低溫度平衡向正反應方向移動，則K（a）＞K（c），平衡常數只與溫度有關，b、d兩點溫度相同，平衡常數相同，則K（b）=K（d），故C錯誤；$\frac{m}{n}$
D．CO轉化率的越大，n_總越小，由M=，可知，a點n_總小，則M（a）＞M（c），M（b）＞M（d），故D錯誤；
故答案為：A；
⑤甲為恒溫恒壓容器，乙為恒溫恒容容器，800K向下列起始體積相同的密閉容器中充入1molCO、2molH₂發生反應①，CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），隨反應進行甲中氣體物質的量減小，壓強減小，乙中隨氣體壓強減小體積縮小，過程中壓強大于甲，相對于甲可以是平衡正向進行最后達到平衡狀態，平衡時H₂的濃度c （H₂）甲＞c（H₂）乙．
故答案為：＞．

點評 本題考查了蓋斯定律、化學平衡常數的計算，影響化學平衡的因素以及化學平衡狀態的判斷，題目難度中等，重在考查對基礎知識的理解掌握．