Question

15．在工业上常用CO和H₂合成甲醇，反应方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=akJ/mol
已知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-283.0kJ/mol
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-241.8kJ/mol
③CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-192.2kJ/mol
答下列问题：
（l）a=-574.4
（2）能说明反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）已达平衡状态的是CD（填字母）．
A．单位时间内生成1mol CH₃OH（g）的同时消耗了1mol CO（g）
B．在恒温恒容的容器中，混合气体的密度保持不变
C．在绝热恒容的容器中，反应的平衡常数不再变化
D．在恒温恒压的容器中，气体的平均摩尔质量不再变化
（3）在T₁℃时，体积为2L的恒容容器中充人物质的量之

和为3mol的H₂和CO，反应达到平衡时CH₃OH的体积分数（V%）与$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的关系如图1所示．
①当起始$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2，经过5min达到平衡，CO的转化率为0.6，则0～5min内平均反应速率v（H₂）=0.12mol/（L．min）．若此时再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，达新平衡时H₂的转化率将增大（选填“增大”、“减小”或“不变”）；
②当$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3.5时，达到平衡状态后，CH₃ OH的体积分数可能是图象中的F点（选填“D”、“E”或“F”）
（4）CO和H₂来自于天然气．已知CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO（g）+2H₂ （g）．在密闭容器中有浓度均为0.1mol•L^-1的CH₄与CO₂，在一定条件下反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如图2，则压强p_1小于p₂（选填“大于”或“小于”）；当压强为p₂时，在y点：v（正）大于v（逆）（选填“大于”、“小于”或“等于”）．若p₂=3MPa，则T℃时该反应的平衡常数K_p=4MPa²（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）．
（5）含有甲醇的废水会造成环境污染，可通入ClO₂气体将其氧化为CO₂．写出相关反应的离子方程式6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，根据盖斯定律，①+2×②-③可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），则△H=△H₁+2△H₂-△H₃；
（2）可逆反应到达平衡是，同种物质的正、逆速率相等（不同物质的正、逆速率之比等于期末化学计量数之比），各组分的含量、浓度等保持不变，判断平衡的物理量应随反应进行由变化到不再变化说明到达平衡；
（3）①由CO与氢气总物质的量、$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2可以计算CO与氢气各自的物质的量，利用三段式计算平衡时各组分物质的量、各组分物质的量变化量，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
先计算该温度下平衡常数K，再计算浓度商Qc，与平衡常数K相比判断反应进行分析，可以确定氢气转化率变化；
②混合比例等于化学计量数之比时，平衡时生成物的含量最大；
（4）正反应为气体物质的量增大的反应，较低压强有利于反应正向进行，平衡时甲烷的转化率越大；
当压强为p₂时，在y点甲烷转化率小于平衡时（x点）的转化率，反应未到达平衡，应正向进行到达平衡；
若p₂=3MPa，根据甲烷转化率计算平衡时各组分的浓度，可以计算各组分的分压，代入平衡常数K_p=$\frac{{p}^{2}（CO）×{p}^{2}（{H}_{2}）}{p（C{O}_{2}）×p（C{H}_{4}）}$计算；
（5）ClO₂气体将甲醇氧化为CO₂，自身被还原为Cl^-，结合电子转移守恒、电荷守恒与原子守恒配平．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-283.0kJ/mol
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-241.8kJ/mol
③CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-192.2kJ/mol
根据盖斯定律，①+2×②-③可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），则△H=△H₁+2△H₂-△H₃=（-283.0kJ/mol）+2×（-241.8kJ/mol）-（-192.2kJ/mol）=-574.4kJ/mol，
故答案为：-574.4；
（2）A．单位时间内生成1mol CH₃OH（g）的同时消耗了1mol CO（g），均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，单位时间内生成1mol CH₃OH（g）的同时生成了1mol CO（g）可以说明到达平衡，故A错误；
B．混合气体总质量不变，容器容积恒定，容器内混合气体的密度始终保持不变，故B错误；
C．在绝热恒容的容器中，随反应进行温度发生变化，平衡常数也随之发生变化，当反应的平衡常数不再变化时说明反应到达平衡，故C正确；
D．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体总物质的量增大，则气体的平均摩尔质量减小，当气体的平均摩尔质量不再变化时，说明反应到达平衡，故D正确，
故选：CD；
（3）①H₂和CO总共为3mol，且起始$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2，可知H₂为2mol、CO为1mol，5min达到平衡时CO的转化率为0.6，则：
                   CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：1              2               0     
变化（mol）：0.6           1.2            0.6
平衡（mol）：0.4           0.8            0.6
容器的容积为2L，则v（H₂）=$\frac{\frac{1.2mol}{2L}}{5min}$=0.12mol/（L．min），
该温度下平衡常数K=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$，此时再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，此时浓度商Qc=$\frac{\frac{0.6+0.4}{2}}{\frac{0.4+0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$＜K=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$，反应向正反应进行，达新平衡时H₂的转化率将增大，
故答案为：0.12mol/（L．min）；增大；
②混合比例等于化学计量数之比时，平衡时生成物的含量最大，故当$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3.5时，达到平衡状态后，CH₃ OH的体积分数小于C点，故选F，
故答案为：F；
（4）正反应为气体物质的量增大的反应，较低压强有利于反应正向进行，压强越大平衡时甲烷的转化率越小，则压强p₁ ＜p₂；
当压强为p₂时，在y点甲烷转化率小于平衡时（x点）的转化率，反应未到达平衡，应正向进行到达平衡，则在y点：v（正）＞v（逆）
若p₂=3MPa，x甲烷转化率为50%，则：
                            CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO（g）+2H₂ （g）
起始浓度（mol/L）：0.1           0.1              0              0
变化浓度（mol/L）：0.05          0.05            0.1           0.1
平衡浓度（mol/L）：0.05          0.05            0.1           0.1
平衡常数K_p=$\frac{{p}^{2}（CO）×{p}^{2}（{H}_{2}）}{p（C{O}_{2}）×p（C{H}_{4}）}$=$\frac{（\frac{0.1}{0.3}×3）^{2}×（\frac{0.1}{0.3}×3）^{2}}{\frac{0.05}{0.3}×3×\frac{0.05}{0.3}×3}$（MPa）²=4（MPa）²，
故答案为：小于；大于；4；
（5）ClO₂气体将甲醇氧化为CO₂，自身被还原为Cl^-，结合电子转移守恒、电荷守恒与原子守恒配平离子方程式为：6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺，
故答案为：6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺．

点评 本题综合性较大，涉及反应热计算、化学平衡状态判断、化学平衡图象与化学平衡有关计算、平衡常数、氧化还原反应等，属于拼合型题目，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力．