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【题目】氢气、碳氧化物是合成可再生能源甲醇的基础原料,具有重要的应用前景。

(1)已知H2(g)CO(g)CH4(g)的燃烧热分别为285.8 kJ/mol283.0 kJ/mol890.0 kJ/mol。一定条件下,COH2合成燃烧的热化学方程式为:CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l) H,则H=___;该反应能自发进行的原因是___

(2)工业上一般采用下列两种反应合成甲醇:

反应ACO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

反应BCO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

①一定温度下,在体积可变的恒压密闭容器中加入4 mol H2和一定量的CO发生反应A,开始时容器体积为2 LCOCH3OH(g)的浓度随时间变化如图1所示,10 min时达到平衡,则反应A的化学平衡常数为_______(结果保留一位小数)

②恒温恒容条件下,在密闭容器中通入等物质的量的CO2H2,下列描述能说明反应B已经达到平衡状态的是___(填序号)。

A. 容器内CO2的体积分数不再变化

B. CO2H2转化率的比值不再变化

C. 当水分子中断裂2NAO-H键,同时氢分子中断裂3NAH-H

D. 容器内混合气体的平均相对分子质量达到34.5,且保持不变

【答案】-250.4 kJ/mol 该反应的焓变数值较大,且小于0 0.1 (L/mol)2 ABCD

【解析】

(1)写出三种物质燃烧的热化学方程式,然后根据盖斯定律计算所求反应的焓变,当G=H-TS<0时,反应能自发进行;

(2)①根据图象分析,反应开始时CO浓度为1 mol/L,由于开始时容器体积为2 L,则开始时CO的物质的量是2 mol,反应达到平衡状态时c(CH3OH)=0.3 mol/L,起始时在体积可变的恒压密闭容器中加入4 mol H22 mol CO发生反应ACO(g)+2H2(g)CH3OH(g),根据物质反应转化关系得到平衡时各种气体的物质的量,然后假设此时容器容积为V L,利用浓度定义式和甲醇浓度,可得转化物质的量与容器体积关系式,再根据恒温恒压下气体的物质的量的比等于压强之比,计算出转化的物质的量及平衡时容器容积,进而得到平衡时各种物质的浓度,带入平衡常数表达式即可求解;

②恒温恒容条件下,在密闭容器中通入等物质的量的CO2 H2,发生反应BCO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),达到平衡状态时,v=v,容器内混合气体的平均相对分子质量等于以g/mol为单位的平均摩尔质量,据此分析。

(1) H2(g)CO(g)CH4(g)的燃烧热分别为285.8 kJ/mol283.0 kJ/mol890.0 kJ/mol

H2(g)+O2(g)= H2O(l)H1=-285.8 kJ/mol

CO(g)+O2(g)= CO2(g)H2=-283.0 kJ/mol

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)H3=-890.0 kJ/mol

将①×3+-③,整理可得:CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l)H =3H1+H2-H3=-250.4 kJ/mol

G=H-TS<0时,反应能自发进行,该反应中焓变数值较大且小于0,所以能自发进行;

(2)①根据图象分析,反应达到平衡状态时c(CH3OH)=0.3 mol/L,起始时在体积可变的恒压密闭容器中加入4 mol H2和一定量的CO发生反应ACO(g)+2H2(g)CH3OH(g),开始时容器体积为2 L,根据理想气体状态方程pV=nRT,则有p=cRT,由于反应为恒压容器,所以始末态体系压强相等,根据图象可知在反应开始时c(CO)=1 mol/L,则开始时n(CO)=1 mol/L×2 L=2 moln(H2)=4 mol,假设反应过程在反应产生CH3OH的物质的量为x,则反应消耗COx mol,消耗H22x mol,所以平衡时CO(2-x)molH2(4-2x)molCH3OHx mol,假设平衡时容器的容积为V L,则=0.3 mol/L,所以x=0.3V mol,在恒温恒压下气体的物质的量的比等于压强之比,所以=,解得V=Lx=0.5 mol,所以平衡时c(CO)==0.9 mol/Lc(H2)=2c(CO)=1.8 mol/Lc(CH3OH)=0.3 mol/L,故该反应的化学平衡常数K==(L/mol)2≈0.1(L/mol)2

A. 容器内CO2的体积分数随着反应进行而变化,当容器内CO2的体积分数不再变化时,反应达到平衡状态,A正确;

B. CO2H2的物质的量的比不等于化学计量数之比,则CO2H2转化率的比值随着反应进行而变化,当CO2H2转化率的比值不再变化,反应达到平衡状态,B正确;

C. 当水分子中断裂2NAO-H键,必然会同时产生3NAH-H键,同时氢分子中断裂3NAH-H键,则氢气的浓度不变,正反应速率等于逆反应速率,反应达到平衡状态,C正确;

D. 容器内混合气体的质量守恒,物质的量随着反应进行而变化,混合气体的平均相对分子质量也随之变化,当混合气体的平均相对分子质量为34.5且保持不变时,反应达到平衡状态,D正确;

故合理选项是ABCD

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