Question

【題目】利用合成氣（主要成分為CO、CO2和H2）在催化劑的作用下合成甲醇，發(fā)生的主反應如下：

i.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1

ii.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2

iii.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H3

回答下列問題：

化學鍵	H-H	C-O	CO	H-O	C-H
E/（kJ·mol-1）	436	343	1076	465	413

（1）已知反應ii中的相關的化學鍵鍵能（“CO”表示CO的化學鍵）數(shù)據(jù)見表：由此計算△H2=___kJ·mol-1。

（2）反應i、ii、iii對應的平衡常數(shù)K1、K2、K3之間的關系式為___。

（3）一定條件下，在2L的恒容密閉容器中充入1molCO2和2molH2發(fā)生反應i。圖1是反應體系中CO2的平衡轉化率與溫度的關系曲線。

①當溫度為500K時，該反應10min達到平衡。0～10min時間內用CH3OH表示該反應的化學反應速率為___。

②若改充入1molCO2和3mol H2，則圖1中的曲線會___（填“上移”或“下移”）。

（4）某溫度下在容積為2L的密閉容器中充入1molCO和2molH2合成甲醇，發(fā)生反應ii，各組分物質的量隨時間的變化情況如圖2所示。

①5min至10min時速率變化的原因可能是___；

②若該反應在恒溫恒壓下進行，能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是___；

A．單位時間內消耗CO的濃度與生成CH3OH的濃度相等

B．混合氣體的密度不變

C．CO和H2的體積分數(shù)之比不變

D．混合氣體的平均相對分子質量不變

③15min時，增加反應體系中CO的物質的量（其他條件不變），至20min時反應重新達到平衡；則新加入的CO的物質的量為___mol（保留兩位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】-99 K1=K2·K3（或者K3=） 0.03mol/(L·min) 上移 增大了壓強 BD 0.53

【解析】

(1)根據(jù)焓變△H=反應物總鍵能-生成物總鍵能；

(2)反應i可由反應ii和反應iii加和得到，據(jù)此計算化學平衡常數(shù)間的關系；

(3)①500K時，CO2的平衡轉化率為60%，起始時充入1molCO2，根據(jù)v=計算CO2的消耗速率，再根據(jù)化學反應速率之比等于化學計量數(shù)之比計算CH3OH的生成速率；

②若改充入1molCO2和3molH2，符合化學計量數(shù)之比，CO2的平衡轉化率增大；

(4)①反應②為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，反應為氣體分子數(shù)減少的反應，結合焓變和壓強變化對化學平衡移動的改變考慮；

②反應在恒溫恒壓下進行，隨著反應進行，體系的體積發(fā)生變化，據(jù)此逐項分析；

③15min時僅增加CO的物質的量而不改變其他條件，根據(jù)圖象，20min達到平衡時，H2的物質的量為0.6mol，據(jù)此列式計算。

(1)對于反應：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，△H=E(C≡O)+2E(H-H)-3E(C-H)-E(C-O)-E(O-H)=-99kJ/mol；

(2)反應i可由反應ii和反應iii加和得到，則化學平衡常數(shù)的關系為：K1=K2K3；

(3)①500K時，CO2的平衡轉化率為60%，起始時充入1molCO2，則CO2的消耗速率為v(CO2)==0.03mol/(Lmin)，根據(jù)化學反應速率之比，則CH3OH的生成速率為v(CH3OH)=0.03mol/(Lmin)；

②若改充入1molCO2和3molH2，符合化學計量數(shù)之比，CO2的平衡轉化率增大，則曲線上移；

(4)①反應②為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，反應為氣體分子數(shù)減少的反應，反應②焓變值小于0，則反應②為放熱反應，根據(jù)圖象，5-10min內CO、H2的消耗量與CH3OH的生成量滿足化學計量比，因此可以判斷改變的條件不是濃度項，對比0-5min，5-10min內化學反應速率是增加的，考慮升高溫度和增大壓強，由于反應是放熱反應，升高溫度導致化學平衡左移不符合圖象，因此采取的措施為增大壓強；

②反應在恒溫恒壓下進行，隨著反應進行，體系的體積發(fā)生變化，據(jù)此逐項分析；

A．單位時間內消耗CO的濃度與生成CH3OH的濃度相等，單位時間內消耗CO的濃度始終與單位時間內生成CH3OH的濃度相等，不能判斷化學反應是否達到平衡，故A錯誤；

B．混合氣體的密度為ρ＝，反應前后遵循質量守恒，m不變，反應為恒壓容器，隨著反應進行容器體積發(fā)生改變，因此混合氣體的密度隨著反應的進行發(fā)生改變，可以判斷化學反應是否達到平衡，故B正確；

C．體積分數(shù)為φ＝，起始時充入的CO和H2是按照化學計量比充入的，反應過程中CO和H2也是按照化學計量比反應的，因此整個反應過程中CO和H2的體積分數(shù)之比不變，不能判斷化學反應是否達到平衡，故C錯誤；

D．混合氣體的平均相對分子質量為M=，反應前后混合氣體質量不變，混合氣體總物質的量發(fā)生改變，因此混合氣體的平均相對分子質量隨著反應的進行而改變，當混合氣體的平均相對分子質量不發(fā)生改變時可以判斷化學反應是否達到平衡，故D正確；

故答案為：B、D；

③15min時僅增加CO的物質的量而不改變其他條件，根據(jù)圖象，20min達到平衡時，H2的物質的量為0.6mol，發(fā)生的化學反應為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，溫度不變，化學平衡常數(shù)不變，該溫度下，反應的化學平衡常數(shù)為K===L/mol，增加部分CO后，設初始時CO的物質的量為xmol，反應消耗了H2的物質的量為0.2mol，則再次達到平衡時，c(CO)=mol/L，c(CH3OH)=0.35mol/L，K==L/mol，解得x=0.93，則增加的CO的物質的量為0.93mol-0.4mol=0.53mol。