Question

4．甲醇是重要的绿色能源之一，目前科学家用水煤气（CO+H₂）合成甲醇，其反应为：CO（g）+2H₂（g）＜“m“：math dsi：zoomscale=150 dsi：_mathzoomed=1＞?Cu2O/ZnO$\stackrel{Cu_{2}O/ZnO}{?}$CH₃OH（g），△H=-128.1kJ•mol^-1，回答下列问题：
（1）该反应是可逆反应，为使化学反应速率和CO的转化率都同时提高的措施有增大压强、增加氢气的物质的量（写两条）．
（2）恒温恒容条件能说明该可逆反应达平衡的是D；
A．2v_正（H₂）=v_逆（CH₃OH）
B．n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1
C．混合气体的密度不变
D．混合气体的平均相对分子质量不变
（3）若上述可逆反应在恒温恒容的密闭容器进行，起始时间向该容器中冲入1molCO（g）和2molH₂（g）．实验测得H₂的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图所示．
①该反应的△S＜0，图中的T₁＜T₂（填“＜”“＞”或“=”）
②T₁下到达平衡状态A时，容器的体积为2L，此时该反应的平衡常数为4L²/mol²，若达到平衡状态B时，则容器的体积V（B）=0.4L．
（4）已知：H₂（g）燃烧热△H=-285.8KJ•mol^-1、和CO（g）燃烧热△H=-283.0KJ•mol^-1，则CH₃OH（g）燃烧热的热化学方程式是为$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）=C{O}_{2}（g）+2{H}_{2}O$△H=-726.5kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）反应是可逆反应，也是一个体系压强减小的反应，根据勒夏特列原理考虑控制相关条件来改变转化率；
（2）恒温恒容条件，联系常用判断反应达到平衡的判据解答；
（3）①随着该反应的进行，体系总压强减小，气体分子数减小，反应是熵减的反应，根据图象，结合勒夏特列原理解答；
②根据平衡常数的表达式$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$，结合图象计算；
（4）根据反应的焓变=反应物的总燃烧热-生成物的总燃烧热来计算CH₃OH（g）的燃烧热，燃烧热的是指1mol标准物质完全燃烧生成稳定参考物时反应反应放出的热．

解答 解：（1）该反应式可逆反应，随着反应的进行，气体分子总数减小，体系压强减小，反应焓变＜0，表明反应是放热反应，为了使化学反应速率和CO的转化率同时提高，根据勒夏特列原理，可以考虑采取的措施有增大压强，增加氢气的物质的量．故答案为：增大压强、增加氢气的物质的量．
（2）恒温恒容条件下，常用判断化学反应达到平衡的判据有正逆反应速率，热量变化情况，体系有气体参与时的压强变化等．
A．能判定化学反应达到平衡的速率关系应为v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH），故A错误；
B．当反应物按照化学计量比1：2反应，到达平衡时，各组分的物质的量之比需视具体的转化率而定，n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1不可作为判据，故B错误；
C．混合气体的密度为$ρ=\frac{{m}_{混}}{V}$，在恒温恒容密闭体系中，根据质量守恒定律，m_混是不变的，整个反应过程混合气体的密度是不变的，不可作为判据，股C错误；
D．混合气体的平均相对分子质量为$\overline{M}=\frac{{m}_{混}}{n}$，由于化学反应前后，气体的物质的量在改变，则混合气体的平均相对分子质量随着反应的进行将发生改变直到反应达到平衡，可以作为判据，故D正确．
故选D．
（3）①反应在恒温恒容密闭容器中进行，起始时向容器中冲入1molCO（g）和2molH₂（g），实验测得H₂的平衡转化率随温度（T）和压强（p）的变化有图，根据图象，随着该反应的进行，体系总压强减小，气体分子数减小，反应是熵减的反应，即体系的混乱度减小，故△S＜0；控制压强不变，发现T₁温度下的H₂转化率更高，结合反应是放热的反应（△H＜0）可知，温度减小有利于反应物的转化率提高，故T₁＜T₂．故答案为：＜，＜．
②T₁下达平衡状态A时，根据图象可知，此时体系压强为p₁，H₂转化率为0.5，已知容器的体积为2L，则平衡时，根据反应方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），由于氢气的转化率为0.5，则氢气转化了△n（H₂）=2mol×0.5=1mol，则CO转化了△n（CO）=0.5mol，生成了CH₃OH为△n（CH₃OH）=0.5mol，因此平衡时$c（CO）=\frac{1-0.5}{2}=0.25mol/L$，$c（{H}_{2}）=\frac{2-1}{2}=0.5mol/L$，$c（C{H}_{3}OH）=\frac{0.5}{2}=0.25mol/L$，根据平衡常数的表达式$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$=$\frac{0.25mol/L}{（0.5mol/L）^{2}×0.25mol/L}$=4L²/mol²．
当反应达到平衡状态B时，根据图象，此时压强为p₂，氢气的转化率为0.8，此时氢气转化了△n（H₂）=2mol×0.8=1.6mol，根据反应方程式，CO转化了△n（CO）=0.8mol，生成了CH₃OH为△n（CH₃OH）=0.8mol，设此时容器体积为VL，则平衡时$c（CO）=\frac{1-0.8}{V}=\frac{0.2}{V}$mol/L，$c（{H}_{2}）=\frac{2-1.6}{V}=\frac{0.4}{V}$mol/L，$c（C{H}_{3}OH）=\frac{0.8}{V}$mol/L，B状态温度也为T₁，反应平衡常数仍为K=4L²/mol²，则$K=\frac{\frac{0.8}{V}mol/L}{（\frac{0.4}{V}mol/L）^{2}•\frac{0.2}{V}mol/L}$=4L²/mol²，解得V（B）=0.4L．
故答案为4L²/mol²，0.4．
（4）反应的焓变=反应物的总燃烧热-生成物的总燃烧热，已知H₂的燃烧热为△H（H₂）=-285.8kJ/mol，CO的燃烧热为△H（CO）=-283.0kJ/mol，反应CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），该反应的焓变为△H=△H（CO）+2△H（H₂）-△H（CH₃OH，g）=-128.1kJ/mol，解得△H（CH₃OH，g）=-726.5kJ/mol，则CH₃OH（g）的燃烧热的热化学方程式为：$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）$═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ/mol．
故答案为：$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）$═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ/mol．

点评 本题考查化学平衡的移动，平衡的条件判断，热化学的相关内容．需注意高中的化学平衡常数一般是实验平衡常数，有单位，燃烧热的反应中最终的产物是稳定的参考物质，比如C完全燃烧生成的须是CO₂（g），氢气完全燃烧生成的须是H₂O（l）．题目为中档题难度．