Question

1．乙酸是重要的有機化工原料之一，目前世界上一半以上的乙酸都采用甲醇與CO反應來制備．某實驗小組在一個恒壓密閉容器中加入0.20mol CH₃OH和0.22mol CO氣體，發生反應CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l），測得甲醇的轉化率隨溫度的變化關系如圖1所示，其中曲線Ⅰ表示在5個不同溫度下，均經過5min時測得的甲醇的轉化率變化曲線，曲線Ⅱ表示不同溫度下甲醇的平衡轉化率變化曲線，已知在T₂溫度下，達到平衡時容器的體積剛好為2L．

已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-560kJ．mol^-1
2CH₃OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1530kJ．mol^-1
CH₃COOH（l）+2O₂（g）═2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-870kJ．mol^-1
按要求回答下列問題：
（1）求工業制乙酸反應：CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1，該反應在低溫（“高溫”、“低溫”或“任何溫度”）條件下為自發反應．
（2）在T₂溫度時，從反應開始至5min時，用單位時間內物質的量變化表示的乙酸的化學反應速率
為0.024mol•min^-1．
（3）在溫度為T₂時，列式計算該反應的平衡常數K=500；在T₃溫度下，C點時，ν_正=ν_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）曲線Ⅰ在T₁～T₂階段，甲醇轉化率隨溫度變化升高的原因是反應未達平衡狀態，故升高溫度，化學反應速率加快，故甲醇轉化率隨溫度的升高而增大；；
（5）在溫度為T₂時，往上述已達到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入0.12mol CH₃OH和0.06molCO混合氣體，平衡的移動方向為不移動（填“向左”或“向右”或“不移動”），理由是加入氣體的總物質的量與原平衡氣體的總物質的量相等，體積變為4L，Qc=Qc=$\frac{1}{\frac{0.2}{4}×\frac{0.16}{4}}$=500=K
（6）在溫度為T₁時，乙酸的物質的量隨時間變化的趨勢曲線如圖2所示．當時間到達t₁時，將該反應體系溫度迅速上升到T₃，并維持該溫度．請在圖2中畫出t₁時刻后乙酸物質的量的變化總趨勢曲線．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律進行計算，由（②+①）÷2-③得出正確結論，反應自發進行的判斷依據是△H-T△S＜0，反應能自發進行；
（2）由曲線Ⅰ可知：T₂溫度下，5min時測得的甲醇的轉化率為60%，故轉化的甲醇的物質的量為0.20mol×60%=0.12mol，則生成乙酸的物質的量為0.12mol，根據v=$\frac{△c}{△t}$進行計算；
（3）根據甲醇的轉化率計算平衡時各物質的濃度，再根據平衡常數等于生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積計算平衡常數；平衡狀態時，正逆反應速率相等；
（4）由曲線Ⅰ可知：T₁-T₂階段，5min時，反應未達平衡狀態，故升高溫度，化學反應速率加快，甲醇轉化率隨溫度的升高而增大；
（5）根據濃度商與平衡常數的大小關系，判斷反應進行的方向，原平衡體系，氣體總的物質的量為0.08mol+0.1mol=0.18mol，體積為2L，在溫度為T₂時，往上述達到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合氣體，充入氣體總的物質的量為0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故體積變為原來的2倍，此時，甲醇的物質的量為0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物質的量為0.1mol+0.06mol=0.16mol；
（6）當時間到達t₁時，將該反應體系溫度迅速上升到T₃，并維持該溫度，溫度升高，平衡逆向移動，乙酸的物質的量減小，一段時間后達到平衡狀態，乙酸的物質的量保持不變，據此畫出變化圖象；

解答 解：（1）①2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-560kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1530kJ•mol^-1
③CH₃COOH（l）+2O₂（g）=2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-870kJ•mol^-1
由（②+①）÷2-③得，CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=$\frac{（-560KJ/mol）+（-1530KJ/mol）}{2}$-（-870kJ•mol^-1）=-175kJ•mol^-1，
CH₃OH（g）+CO（g）?CH₃COOH（l）△H=-175kJ•mol^-1，△H＜0，△S＜0，則滿足△H-T△S＜0的條件是低溫下反應自發進行，
故答案為：-175，低溫；
（2）由曲線Ⅰ可知：T₂溫度下，5min時測得的甲醇的轉化率為60%，故轉化的甲醇的物質的量為0.20mol×60%=0.12mol，則生成乙酸的物質的量為0.12mol，故在溫度為T₃時，從反應開始至5min時，用單位時間內物質的量變化表示的乙酸的平均反應速率為$\frac{0.12mol}{5min}$=0.024mol•min^-1，
故答案為：0.024；
（3）由解答（2）可知：在溫度為T₂時，轉化的甲醇的物質的量為0.12mol，則轉化的CO的物質的量為0.12mol，故平衡時甲醇的物質的量為0.20mol-0.12mol=0.08mol，CO的物質的量為0.22mol-0.12mol=0.1mol，故平衡常數K=$\frac{1}{[C{H}_{3}OH][CO]}$=$\frac{1}{\frac{0.08}{2}×\frac{0.1}{2}}$=500；
在T₃溫度下，C點時反應已達平衡狀態，故正逆反應速率相等，故v_（正）=v_（逆），
故答案為：500；=；
（4）由曲線Ⅰ可知：T₁溫度下，5min時，反應未達平衡狀態，故升高溫度，化學反應速率加快，故甲醇轉化率隨溫度的升高而增大，
故答案為：反應未達平衡狀態，故升高溫度，化學反應速率加快，故甲醇轉化率隨溫度的升高而增大；
（5）原平衡體系，氣體總的物質的量為0.08mol+0.1mol=0.18mol，體積為2L，在溫度為T₂時，往上述達到平衡的恒壓容器中，再在瞬間通入0.12molCH₃OH和0.06molCO混合氣體，充入氣體總的物質的量為0.12mol+0.06mol=0.18mol，原平衡相等，故體積變為原來的2倍，此時，甲醇的物質的量為0.08mol+0.12mol=0.2mol，CO的物質的量為0.1mol+0.06mol=0.16mol，則Qc=$\frac{1}{\frac{0.2}{4}×\frac{0.16}{4}}$=500=K，故平衡不移動；
故答案為：不移動；加入氣體的總物質的量與原平衡氣體的總物質的量相等，體積變為4L，Qc=Qc=$\frac{1}{\frac{0.2}{4}×\frac{0.16}{4}}$=500=K；
（6）當時間到達t₁時，將該反應體系溫度迅速上升到T₃，并維持該溫度，溫度升高，平衡逆向移動，乙酸的物質的量減小，一段時間后達到平衡狀態，乙酸的物質的量保持不變，故t₁時刻后的變化總趨勢曲線為，故答案為：．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、平衡圖象分析、平衡常數的計算機化學平衡移動原理，難度較大．要注意根據濃度商與平衡常數來判斷反應進行的方向．