Question

3．CO是現代化工生產的基礎原料，下列有關問題都和CO的使用有關．
（1）人們利用CO能與金屬鎳反應，生成四羰基鎳，然后將四羰基鎳分解從而實現鎳的提純，最后可以得到純度達99.9%的高純鎳．具體反應為：Ni（s）+4CO（g）$?_{180～200℃}^{50～80℃}$Ni（CO）₄（g），該正反應的△H＜ 0（選填“＞”或“=”或“＜”）．
（2）工業上可利用CO₂（g）與H₂（g）為原料合成乙醇：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（l）△H
已知反應 I：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H₁
反應 II：H₂O（l）?H₂O（g）△H₂
反應 III：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃
則：△H與△H₁、△H₂、△H₃之間的關系是：△H=△H₁-3△H₂-2△H₃．
（3）一定條件下，在體積固定的密閉容器中發生反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
下列選項能判斷該反應達到平衡狀態的依據的有CE．
A．2v（H₂）=v（CO）
B．CO的消耗速率等于CH₃OCH₃的生成速率
C．容器內的壓強保持不變
D．混合氣體的密度保持不變
E．混合氣體的平均相對分子質量不隨時間而變化
（4）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10molCO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K_A、K_B、K_C的大小關系為K_A=K_B＞K_C．
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．
④CO的平衡轉化率（α）與溫度（T）、壓強（p）的關系如圖2所示，實際生產時條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的轉化率已較高，再增大壓強CO轉化率提高不大，且增大生成成本，得不償失．

Answer 1

分析 （1）由反應條件可知，低溫有利于向正反應進行，高溫有利于向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應移動，據此判斷；
（2）根據蓋斯定律由已知的熱化學方程式乘以相應的數值進行加減，來構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的數值進行加減；
（3）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；
（4）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平衡常數與壓強無關，只與溫度有關，結合平衡移動判斷；
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由圖3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，時CO的轉化率已較高，再增大壓強CO轉化率提高不大，且增大成本．

解答 解：（1）由反應條件可知，低溫有利于向正反應進行，高溫有利于向逆反應進行，降低溫度平衡向放熱反應移動，故該反應正反應為放熱反應，即△H＜0，故答案為：＜；
（2）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；
（3）A.2v（H₂）=v （CO）中未指明正逆速率，不能說明得到平衡，故A錯誤；
B．CO的消耗速率等于CH₃OCH₃的生成速率，均表示正反應速率，不能說明到達平衡，故B錯誤；
C．容器體積不變，隨反應進行氣體物質的量減小，壓強減小，容器內的壓強保持不變，說明到達平衡，故C正確；
D．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D錯誤；
E．混合氣體總質量不變，隨反應進行氣體物質的量減小，混合氣體平均相對分子質量減小，當混合氣體的平均相對分子質量不隨時間而變化，說明反應到達平衡，故E正確，
故答案為：CE；
（4）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，
故答案為：K_a=K_b＞K_c；
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由圖3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的轉化率已較高，再增大壓強CO轉化率提高不大，且增大生成成本，得不償失，故選擇250°C、1.3x10⁴kPa左右，
故答案為：在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的轉化率已較高，再增大壓強CO轉化率提高不大，且增大生成成本，得不償失．

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．