Question

“洁净煤技术”研究在世界上相当普遍，科研人员通过向地下煤层气化炉中交替鼓入空气和水蒸气的方法，连续产出了高热值的煤炭气，其主要成分是CO和H₂。CO和H₂可作为能源和化工原料，应用十分广泛。生产煤炭气的反应之一是：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)−131.4 kJ。

（1）在容积为3L的密闭容器中发生上述反应，5min后容器内气体的密度增大了0.12g／L，用H₂O表示0～5miin的平均反应速率为_________________________。

（2）能说明该反应已达到平衡状态的是________（选填编号）。

a．v_正 (C)= v_逆(H₂O)    b．容器中CO的体积分数保持不变

c．c(H₂)=c(CO)        d．炭的质量保持不变

（3）若上述反应在t₀时刻达到平衡(如图)，在t₁时刻改变某一条件，请在右图中继续画出t₁时刻之后正反应速率随时间的变化：

①缩小容器体积，t₂时到达平衡(用实线表示)；

②t₃时平衡常数K值变大，t₄到达平衡(用虚线表示)。

（4）在一定条件下用CO和H₂经如下两步反应制得甲酸甲酯：

①CO(g) + 2H₂(g)CH₃OH(g)    ②CO(g) + CH₃OH(g)HCOOCH₃(g)

①反应①中CO的平衡转化率(α)与温度、压强的关系如图所示。在不改变反应物用量的情况下，为提高CO的转化率可采取的措施是                                 。

②已知反应①中CO的转化率为80%，反应②中两种反应物的转化率均为85%，则5.04kgCO最多可制得甲酸甲酯         kg。

 

Answer 1

【答案】

(本题共10分) （1）0.002mol/(L·min)(2分) （2）b、d(2分) 

（3）（图略，合理给分）①t₁时突增的u_正渐增至t₂时保持不变；②t₃时突增的u_正渐减至t₄时保持不变(各1分)

（4）①降温、加压；将甲醇从混合体系中分离出来(2分) ②4.08(2分)

【解析】

试题分析：（1）5min后容器内气体的密度增大了0.12g／L，因此气体的质量增加了0.12g/L×3L＝0.36g，根据方程式可知：C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)  △m↑

                         1mol                     12g

                         0.03mol                  0.36g

所以消耗水蒸气的物质的量浓度是0.03mol÷3L＝0.01mol/L，因此用H₂O表示0～5miin的平均反应速率为0.01mol/L÷5min＝0.002mol/(L·min)。

（2）在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态。a．碳是固体，不能用来表示，a不正确；b．容器中CO的体积分数保持不变，说明反应得到平衡状态，b正确；c．c(H₂)=c(CO)，但没有指明反应的方向，所以可逆反应不一定达到平衡状态，c不正确；d．炭的质量保持不变，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，d正确，答案选bd。

（3）①缩小容器体积，压强增大，反应速率增大。正方应是体积增大的可逆反应，所以平衡向逆反应方向移动，即正反应速率逐渐增大到锌平衡，因此曲线可以表示为。

②t₃时平衡常数K值变大，说明平衡向正反应方向移动。正方应是吸热反应，所以改变的条件是升高温度，因此正反应速率增大，然后逐渐减小到新平衡状态，所以曲线可以表示为。

（4） ①根据图像可知，在压强相同时，温度越高，CO的转化率越低，这说明升高温度平衡向逆反应方向移动，因此正方应是放热反应。温度相同时，压强越大，CO的转化率越高，所以为提高CO的转化率可采取的措施是降温、加压或将甲醇从混合体系中分离出来。

②5.04kgCO的物质的量是5040g÷28g/mol＝180mol。设参加反应①的CO物质的量是x，则参加反应②的CO物质的量是180mol－x。反应①中CO的转化率为80%，则反应中生成的甲醇物质的量是0.8x。在反应②中两种反应物的转化率均为85%，则0.8x×0.85＝(180mol－x)×0.85，解得x＝100mol，所以实际生成的甲酸甲酯的物质的量是0.8x×0.85＝68mol，其质量是68mol×60g/mol＝4080g＝4.08kg。

考点：考查可逆反应平衡状态判断、外界条件对平衡状态和反应速率的影响以及反应速率和产率的有关计算等