Question

【题目】研究减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物，主要有以下反应：

反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) △H1＝－49.6kJ/mol

反应Ⅱ：CH3OCH3(g)＋H2O(g) 2CH3OH(g) △H2＝＋23.4kJ/mol

反应Ⅲ：2CO2(g)＋6H2(g) CH3OCH3(g)＋3H2O(g) △H3

(1)△H3＝__________kJ/mol。

(2)恒温恒容条件下，在密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2，发生反应Ⅰ。下列描述能说明反应Ⅰ达到平衡状态的是_____________(填序号).

A.反应体系总压强保持不变

B.容器内的混合气体的密度保持不变

C.水分子中断裂2NA个H－O键，同时氢分子中断裂3NA个H－H键

D.CH3OH和H2O的浓度之比保持不变

(3)反应Ⅱ在某温度下的平衡常数为0.25，此温度下，在密闭容器中加入等物质的量的CH3OCH3(g)和H2O(g)，反应到某时刻测得各组分浓度如下：

此时，v正_________v逆 (填“>”、“<”或“＝”)，当反应达到平衡时，混合气体中CH3OH体积分数(CH3OH)%＝_________%。

(4)反应III在不同温度、不同投料比时，CO2的平衡转化率如图所示。T1温度下，将6 mol CO2和12 mol H2充入2L的密闭容器中，5 min后反应达到平衡状态，则0～5min内的平均反应速率v(CH3OCH3)=________；平衡常数K=_____（保留小数点后一位）；KA、KB、KC三者之间的由大到小关系为______。

(5)恒压下将CO2和H2按体积比1：3混合，在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅲ，在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如下图。其中：CH3OH的选择性＝×100％

①温度高于230°C，CH3OH产率随温度升高而下降的原因是_______________。（答一条即可）

②在上述条件下合成甲醇的工业条件是___________________。

A.210°C B.230°C C.催化剂CZT D.催化剂CZ(Zr－1)T

Answer 1

【答案】－122.6 AC ＞ 20 0.18mol·L1·min1 263.7 KA＝KC＞KB 反应I的△H＜0，温度升高，平衡逆向移动，使CO2转化为CH3OH的平衡转化率下降； BD

【解析】

（1）根据盖斯定律可知，反应Ⅰ×2-反应ⅠⅠ=反应ⅠⅠⅠ，故△H3=[(-49.6)×2-23.4] kJ/mol=-122.6 kJ/mol,

故答案为：-122.6；

（2）反应Ⅰ正向为气体体积减小的放热反应，

A、恒温恒容条件下，气体物质的量之比等于其压强之比，该反应正向气体物质的量减小，当容器内总压不变时，气体物质的量不变，可说明反应达到平衡状态，故A符合题意；

B、该反应为全气体反应，反应过程中气体质量不变，反应是在恒容容器中进行，故气体密度始终不变，则不能判断反应是否达到平衡状态，故B不符合题意；

C、水分子中断裂2NA个H－O键，即消耗1mol水，同时氢分子中断裂3NA个H－H键，即消耗3mol氢气，反应方向不同，物质消耗之比等于其计量数之比，说明正逆反应速率相等，故可说明反应达到平衡状态，故C符合题意；

D、CH3OH和H2O均为生成物，二者系数均为1，起始浓度均为0，故任意时刻二者的浓度之比均不变，故无法说明反应达到平衡状态，

故答案为AC；

（3）该时刻的浓度熵Qc===<0.25，故该反应正向进行，故v正>v逆；设从该时刻至平衡时，H2O(g)转化浓度为xmol/L，则

CH3OCH3(g)＋H2O(g)2CH3OH(g)

起始(mol/L) 1.8 1.8 0.4

转化(mol/L) x x 2x

平衡(mol/L) 1.8-x 1.8-x 0.4+2x

由=0.25可解得x=0.2，n总=4mol，混合气体中CH3OH体积分数(CH3OH)%＝×100%=20%，

故答案为：>；20；

（4）由图象可知，在T1温度下，=2时，CO2平衡转化率为60%，在5min后反应处于平衡状态，故0～5min内==1.8mol/L，则=0.9mol/L，故0～5min内的平均反应速率v(CH3OCH3)=== 0.18mol·L1·min1；根据转化量之比等于其其系数之比可知，平衡时，c(CO2)=1.2mol/L、c(H2)=0.6mol/L、c(CH3OCH3)=0.9mol/L、c(H2O)=2.7mol/L，则K===263.7；相同投料比下达到平衡时，CO2平衡转化率T1>T2，故T1温度下的平衡常数大于T2温度下平衡常数，根据温度不变，平衡常数不变可知，KA＝KC＞KB，

故答案为：0.18mol·L1·min1；263.7；KA＝KC＞KB；

（5）①由图象可知，在230℃之前，反应还未达到平衡状态，在230℃之后，反应达到平衡状态，而反应I正向为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，使CH3OH产率下降，

故答案为：反应I的△H＜0，温度升高，平衡逆向移动，使CO2转化为CH3OH的平衡转化率下降；

②由图象可知，合成甲醇最佳条件为230℃下，在230℃下CZT催化剂对甲醇的选择性低于CZ(Zr-1)T催化剂，由此可知，最佳催化剂为CZ(Zr-1)T催化剂，

故答案为：BD。