Question

12．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=a kJ/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
回答下列问题：
（1）a=-574.4KJ/mol．
（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的恒容容器中充入物质的量之和为3mol的H₂和CO，反应达到平衡时CH₃OH的体积分数（V%）与$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的关系如图所示．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”）

Answer 1

分析 （1）根据已知反应，利用盖斯定律来分析；
（2）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（3）根据题意可知，在T₁℃时，体积为2L的恒容容器中充入的H₂和CO的物质的量分别是2mol和1mol，即H₂和CO的初始浓度分别为1mol/L和0.5mol/L，而经过5min达到平衡，CO的转化率为0.6，故有△c（CO）=0.3mol/L，根据浓度的该变量之比等于计量数之比，可计算出△c（H₂）和△c（CH₃OH），0～5min内平均反应速率v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$；结合初始浓度可计算出各物质的平衡浓度，并能计算出此温度下的平衡常数；若此时再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，则能计算出此时的浓度商Qc，并将Qc与平衡常数做对比，得出平衡移动的方向，从而判断达新平衡时H₂的转化率．

解答 解：（1）已知反应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，
利用盖斯定律可知，将①+②×2-③可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）则△H=a kJ/mol=（-283.0kJ/mol）+（-241.8kJ/mol）×2-（-192.2kJ/mol）=-574.4KJ/mol，即a=-574.4KJ/mol，故答案为：-574.4KJ/mol；
（2）A．单位时间内生成1mol CH₃OH（g）时，一定会消耗1mol CO（g），故不能作为平衡的标志，故A错误；
B．由于此反应全部是气体参与和生成的反应，故反应体系中气体的质量不变，而又是在恒温恒容的容器中，容器体积不变，则混合气体的密度ρ=$\frac{m}{V}$一直保持不变，即不能作为平衡的标志，故B错误；
C．在绝热恒容的容器中，反应的平衡常数不再变化，说明容器的温度已不再变化，则说明反应达平衡，故C正确；
D．此反应是个气体的物质的量减小的反应，故当没有平衡时，气体的物质的量逐渐减小，而气体的总质量不变，故平衡前气体的平均摩尔质量会逐渐增大，则当平均摩尔质量不变时，则反应达平衡，故D正确．
故选CD．
（3）根据题意可知，在T₁℃时，体积为2L的恒容容器中充入的H₂和CO的物质的量分别是2mol和1mol，即H₂和CO的初始浓度分别为1mol/L和0.5mol/L，而经过5min达到平衡，CO的转化率为0.6，故有△c（CO）=0.3mol/L，由于浓度的该变量之比等于计量数之比，可计算出△c（H₂）=0.6mol/L，c（CH₃OH）=0.3mol/L，根据三段式则有：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
初始浓度：0.5mol/L         1mol/L                  0
△C：0.3mol/L        0.6mol/L                0.3mol/L
平衡浓度：0.2mol/L          0.4mol/L               0.3mol/L
0～5min内平均反应速率v（H₂）=$\frac{△c（{H}_{2}）}{△t}$=$\frac{0.6mol/L}{5min}$=0.12mol/（L•min）；
此温度下的平衡常数K=$\frac{0.3mol/L}{0.2mol/L×（0.4mol/L）^{2}}$=9.38；
若此时再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，则浓度商Qc=$\frac{0.3mol/L+\frac{0.4mol}{2L}}{（0.2mol/L+\frac{0.4mol}{2L}）×（0.4mol/L）^{2}}$=7.8＜K，故再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol时，平衡向右移，故当达新平衡时H₂的转化率回增大．
故答案为：0.12mol/（L•min）；增大；

点评 本题考查了盖斯定律的应用以及反应达平衡的判断和利用三段式来计算反应速率和化学平衡常数以及判断平衡移动方向等问题，综合性较强，但难度适中，是高考常见的题型和重点题型．