Question

6．煤可以通过气化和液化转变为清洁能源并提高燃烧效率．
煤气化的主要反应是：C（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO（g）+H₂（g）气化得到的CO和H₂可以进一步液化合成甲醇，反应方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）若相同温度下CO、H₂、CH₃OH（g）的燃烧热（△H）分别为a、b、c，则上述反应的△H=a+2b-c．
（2）

图1表示CO的转化率与温度、压强之间的关系，图2表示CO的转化率与起始投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$、温度的变化关系，曲线I、Ⅱ、Ⅲ对应的温度分别为T₁、T₂、T₃，则T₁、T₂、T₃的大小关系为T₁＜T₂＜T₃，理由由图1知，在一定压强下，温度升高，CO转化率降低，正反应放热；由图2知，在投料比一定时，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的转化率依次降低，因此温度依次升高．测得B（X，60）点氢气的转化率为40%，则X=3．
（3）一定条件下，将2mol CO和4mol H₂置于容积为2L固定的密闭容器中发生上述反应，反应达到平衡时H₂的物质的量为2mol，则此时CH₃OH（g）的物质的量浓度为0.5 mol/L，平衡常数K=1．下列说法中能说明反应已达到平衡状态的是A（填选项前的字母）．
A．混合气体的平均摩尔质量不变
B．一氧化碳的消耗速率等于甲醇的生成速率
C．CO和H₂的物质的量之比保持不变
D．混合气体的密度不变．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律进行计算，由①+②×2-③得出正确结论；
（2）分析图象1变化可知：在一定压强下，温度越高，一氧化碳转化率越小，升温平衡逆向进行，正反应为放热反应；
分析图象2变化可知：在投料比一定时，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的转化率依次降低，因此温度依次升高；
设起始量氢气为x，一氧化碳物质的量为y，依据转化率，结合方程式进行计算；
（3）依据平衡三段式列式计算平衡浓度，再根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积进行计算；
化学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断，得出正确结论．

解答 解：（1）若相同温度下CO、H₂、CH₃OH（g）的燃烧热（△H）分别为a、b、c，则
一氧化碳燃烧的热化学方程式为：①CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=a
氢气燃烧的热化学方程式为：②H₂（g）+1/2O₂（g）=H₂O（l）△H=b
甲醇燃烧的热化学方程式为：③CH₃OH（g）+3/2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=c
由①+②×2-③得，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=a+2b-c，
故答案为：a+2b-c；
（2）分析图象1变化可知：在一定压强下，温度越高，一氧化碳转化率越小，升温平衡逆向进行，正反应为放热反应；
分析图象2变化可知：在投料比一定时，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的转化率依次降低，因此温度依次升高；故T₁＜T₂＜T₃，
设起始量氢气为x，一氧化碳物质的量为y；
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
y       x          0
0.6y   0.4x       
则0.6y：0.4x=1：2
x：y=3，故X=3，
故答案为：T₁＜T₂＜T₃；由图1知，在一定压强下，温度升高，CO转化率降低，正反应放热；由图2知，在投料比一定时，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的转化率依次降低，因此温度依次升高；3；
（3）一定条件下，将2mol CO和4mol H₂置于容积为2L固定的密闭容器中发生上述反应，反应达到平衡时H₂的物质的量为2mol，
则            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） $\frac{2}{2}$       $\frac{4}{2}$        0
变化量（mol/L） 0.5      1        0.5
平衡量（mol/L） 0.5      $\frac{2}{2}$       0.5
故CH₃OH（g）的物质的量浓度为0.5 mol/L；
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$=1；
A．平均摩尔质量=$\frac{总质量}{总物质的量}$，总质量不变，总物质的量会变，故混合气体的平均摩尔质量不变说明达到平衡状态，故A正确；
B．一氧化碳的消耗速率是正反应速率，甲醇的生成速率乙是正反应速率，故不能说明达到平衡状态，故B错误；
C．CO和H₂的物质的量之比始终为1：2，故两者物质的量之比保持不变不能说明达到平衡状态，故C错误；
D．密度=$\frac{总质量}{体积}$，总质量不变，体积不变，故混合气体的密度不变不能说明达到平衡状态，故D错误；
故能说明反应已达到平衡状态的是A；
故答案为：0.5 mol/L；1；A．

点评 本题考查盖斯定律的计算应用，化学平衡图象分析、平衡常数的计算及化学平衡的影响因素，难度较大．