Question

10．甲醇是重要的燃料，有广阔的应用前景：工业上一般以CO和为原料合成甲醇，该反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1
（1）下列措施中有利于增大该反应的反应速率且利于反应正向进行的是C．
a．随时将CH₃OH与反应混合物分离
b．降低反应温度
c．增大体系压强
d．使用高效催化剂
（2）已知：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g0△H₂=-283kJ•mol^-1
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g0△H₃=-242kJ•mol^-1
则表示1mol气态甲醇完全燃烧生成CO₂和水蒸气时的热化学方程式为CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1
（3）在容积为2L的恒容容器中，分别研究在三种不同温度下合成甲醇，右图是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质的量均为2mol）与CO平衡转化率的关系．请回答：
①在图中三条曲线，对应的温度由高到低的顺序是Z＞Y＞X
②利用a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常数：K=0.25；
（4）恒温下，分别将1molCO和2molH₂置于恒容容器I和恒压容器Ⅱ中（两容器起始容积相同），充分反应．
①达到平衡所需时间是I＞Ⅱ（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．达到平衡后，两容器中CH₃OH的体积分数关系是I＜Ⅱ．
②平衡时，测得容器工中的压强减小了30%，则该容器中CO的转化率为45%．

Answer 1

分析 （1）根据平衡移动原理进行判断，温度升高，反应速率加快，使用催化剂，反应速率加快；
（2）根据盖斯定律和题中热化学方程式，根据反应
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₁=-116kJ•mol^-1 
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O2（g）═CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1，
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1 ，
根据盖斯定律：①-②-③×2得写出甲醇完全燃烧生成二氧化碳的热化学方程式；
（3）①合成甲醇的反应是放热反应，温度升高，转化率降低，依据图象变化分析判断；
②a点时，CO转化率50%，反应消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氢气2mol，图象中可知，起始量氢气物质的量n（H₂）=1.5n（CO）=3mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，结合化学平衡三段式列式计算平衡浓度，根据平衡常数表达式和一氧化碳的转化率求算，K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（4）①恒温下，分别将1molCO和2molH₂置于恒容容器I和恒压容器Ⅱ中，反应前后气体体积减小，恒压容器中体积减小是相当于恒容容器达到平衡状态下，增大压强对平衡的影响，压强增大，反应速率增大，达到平衡需要的时间短，恒压容器中甲醇含量增大；
②平衡时，测得容器Ⅰ中的压强减小了30%，气体物质的量减小30%，结合化学平衡三段式列式计算；
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol） 1        2         0
变化量（mol） x       2x         x
平衡量（mol） 1-x     2-2x       x
3-2x=3-3×30%
x=0.45mol
转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%．

解答 解：（1）有利于增大该反应的反应速率且利于反应正向进行结合化学平衡移动原理分析．
A、随时将CH₃OH与反应混合物分离，减小生成物的浓度，利于反应正向进行，但反应速率减小，故A错误；
B、反应是放热反应，温度降低，利于反应正向进行，但反应速率变小，故B错误；
C、反应前后气体体积减小，压强增大，利于反应正向进行，反应速率加快，故C正确；
D、使用催化剂，反应速率加快，不改变化学平衡，不能利于反应正向进行，故D错误；
故选C；
（2）根据反应①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₁=-116kJ•mol^-1，
  ②CO（g）+$\frac{1}{2}$O2（g）═CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1，
  ③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1 ，
根据盖斯定律：①-②-③×2得：
 CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1，
故答案是：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1；
（3）①根据反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1，是放热反应，温度越高，转化率越低，所以曲线Z对应的温度最高，X对应的一氧化碳转化率最大，温度最低，Y介于二者之间，在图中三条曲线，对应的温度由高到低的顺序是Z＞Y＞X；
故答案是：Z＞Y＞X；
  ②a点时，CO转化率50%，反应消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氢气2mol，图象中可知，起始量氢气物质的量n（H₂）=1.5n（CO）=3mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol） 2        3         0
变化量（mol） 1        2         1
平衡量（mol） 1        1          1
a点各组分的浓度是：c（CH₃OH）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，c（CO）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，c（H₂）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，
带入表达式得：K=$\frac{0.5mol/L}{0.5mol/L×（0.5mol/L）^{2}}$=4L²•mol^-2，
曲线Z在对应温度下CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为上述平衡常数的倒数=0.25；
故答案是：0.25；
（4）①恒温下，分别将1molCO和2molH₂置于恒容容器I和恒压容器Ⅱ中，发生反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1 ；反应前后气体体积减小，恒压容器中体积减小是相当于恒容容器达到平衡状态下，增大压强对平衡的影响，压强增大，反应速率增大，达到平衡需要的时间短，ⅠⅡ达到平衡所需时间Ⅰ＞Ⅱ，达到平衡后，恒压容器中平衡正向进行，所以两容器中CH₃OH的体积分数Ⅰ＜Ⅱ；
故答案为：＞，＜；
②平衡时，测得容器Ⅰ中的压强减小了30%，气体物质的量减小30%
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol） 1        2         0
变化量（mol） x       2x         x
平衡量（mol） 1-x     2-2x       x
测得容器Ⅰ中的压强减小了30%，气体物质的量减小30%
3-2x=3-3×30%
x=0.45mol
则该容器中CO的转化率=$\frac{0.45mol}{1mol}$×100%=45%；
故答案为：45%．

点评 本题考查了影响反应速率的因素及反应平衡常数的计算、热化学方程式的书写等知识，注意盖斯定律的应用，本题难度中等．