Question

11．甲醇是重要的化工原料，又可称为燃料．利用合成气（主要成分为CO、CO₂和H₂）在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主反应如下：
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
回答下列问题：
（1）已知反应①中的相关的化学键键能数据如下：

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

则x=413．
（2）若T℃时将6molCO₂和 8molH₂充入2L密闭容器中发生反应②，测得H₂的物质的量随时间的变化如图1中状态Ⅰ（图中实线）所示．图中数据A（1，6）代表在1min时H₂的物质的量是6mol．

①T℃时状态I条件下，0--3min内CH₃OH的平均反应速率v=0.28mol/（L•min）（保留两位有效数字），
平衡常数K=0.5；
②其他条件不变时，仅改变某一条件后测得H₂的物质的量随时间变化如图中状态Ⅱ所示，则改变的条件可能是增大压强．
③一定温度下，此反应在恒容容器中进行，能判断该反应达到化学平衡状态依据的是abc
a．容器中压强不变
b．CO₂和水蒸气的体积比保持不变
c．v正（H₂）=3v逆（CH₃OH ）
d．气体的密度不再随时间的改变而变化
④CO与H₂在密闭容器中发生反应①，按照相同的物质的量投料，测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示．下列说法正确的是A
A．温度：T₁＜T₂＜T₃
B．正反应速率：v（a）＞v（c）；v（b）＞v（d）
C．平衡常数：K（a）＞K（c）；K（b）＞K（d）
D．平均摩尔质量：M（a）＜M（c）；M（b）＞M（d）
⑤800K向下列起始体积相同的密闭容器中充入1molCO、2molH₂发生反应①，如图3所示甲容器在反应过程中保持压强不变，乙容器保持体积不变达到平衡时H₂的浓度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
根据盖斯定律，②-③=①，据此计算△H，再结合键能计算x；
（2）①根据反应速率的计算公式进行计算0～3min内CH₃OH的平均反应速率；由图可知，T℃时平衡时氢气的物质的量为2mol，参加反应的氢气的物质的量为8mol-2mol=6mol，氢气的浓度变化量为=$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，据此结合三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算；
②Ⅱ在4min达到平衡，且平衡时氢气的物质的量比Ⅰ小，说明反应速率加快，且平衡正向移动，再根据影响化学平衡的因素分析可得；
③可逆反应平衡时，正逆反应速率相等，各组分含量保持不变，据此分析；
④A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T₁＜T₃，温度越高，反应速率越快；b、d两点压强相同，温度越高，反应速率越大；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T₁＜T₃，降低温度平衡向正反应方向移动，K值增大．平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同；
D．CO转化率的越大，n_总越小，由M=$\frac{m}{n}$，判断；
⑤甲为恒温恒压容器，乙为恒温恒容容器，800K向下列起始体积相同的密闭容器中充入1molCO、2molH₂发生反应①，CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），随反应进行甲中气体物质的量减小，压强减小，乙中随气体压强减小体积缩小，过程中压强大于甲，相对于甲可以是平衡正向进行最后达到平衡状态．

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
根据盖斯定律，②-③=①，则①中的△H=-58kJ/mol-41kJ/mol=-99kJ/mol；
此时△H=反应物的键能和-生成物的键能和=（1076kJ•mol^-1+435×2kJ•mol^-1）-（xkJ•mol^-1×3+465kJ•mol^-1+343kJ•mol^-1）=-99kJ/mol，解得x=413，
故答案为：413；
（2）①T℃时状态I条件下，3min时H₂的物质的量为3mol；变化5mol，根据反应  CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）可知CH₃OH（g）的变化物质的量为$\frac{5}{3}$mol，此时0～3min内CH₃OH的平均反应速率v=$\frac{\frac{\frac{5}{3}mol}{2L}}{3min}$≈0.28mol/（L•min）；
由图可知，T℃时平衡时氢气的物质的量为2mol，参加反应的氢气的物质的量为8mol-2mol=6mol，氢气的浓度变化量为$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，则：
                      CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：3             4                0                   0   
变化（mol/L）：1             3                 1                  1
平衡（mol/L）：2             1                 1                  1
故该温度下平衡常数k=$\frac{1×1}{2×{1}^{3}}$=0.5，
故答案为：0.28 mol/（L•min）；0.5；
②从图象可知：Ⅱ在4min达到平衡，说明反应速率加快，可为升高温度，加催化剂，增大压强，平衡时氢气的物质的量比Ⅰ小，说明平衡正向移动，该反应放热反应，升高温度，平衡逆向移动，催化剂不影响平衡，该反应是个气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，则应该是增大压强；
故答案为：增大压强；
③反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol在恒容容器中进行，
a．反应气体体积减小，恒容时，随着反应的进行，压强减小，平衡后，容器中压强保持不变，故a正确；
b．二氧化碳和水蒸气体积比保持不变，说明在内反应速率相同，反应达到平衡状态，故b正确；
c．v_正（H₂）=3v_正（CH₃OH）=3v_逆（CH₃OH），正逆反应速率相等，反应平衡，故c正确；       
d．气体质量和容器体积保持不变，任何时刻，气体的密度不再随时间的改变而变化，故d错误；
故答案为：abc；
④A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，则T₁＜T₂＜T₃，故A正确；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T₁＜T₃，温度越高，反应速率越快，故υ（a）＜υ（c）．b、d两点温度相同，压强越大，反应速率越大，b点大于d点压强，则v（b）＞v（d），故B错误；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T₁＜T₃，降低温度平衡向正反应方向移动，则K（a）＞K（c），平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同，则K（b）=K（d），故C错误；$\frac{m}{n}$
D．CO转化率的越大，n_总越小，由M=，可知，a点n_总小，则M（a）＞M（c），M（b）＞M（d），故D错误；
故答案为：A；
⑤甲为恒温恒压容器，乙为恒温恒容容器，800K向下列起始体积相同的密闭容器中充入1molCO、2molH₂发生反应①，CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），随反应进行甲中气体物质的量减小，压强减小，乙中随气体压强减小体积缩小，过程中压强大于甲，相对于甲可以是平衡正向进行最后达到平衡状态，平衡时H₂的浓度c （H₂）甲＞c（H₂）乙．
故答案为：＞．

点评 本题考查了盖斯定律、化学平衡常数的计算，影响化学平衡的因素以及化学平衡状态的判断，题目难度中等，重在考查对基础知识的理解掌握．