Question

4．甲醇是重要的綠色能源之一，目前科學家用水煤氣（CO+H₂）合成甲醇，其反應為：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，回答下列問題：
（1）該反應是可逆反應，為使化學反應速率和CO的轉化率都同時提高的措施有增大壓強、增加氫氣的物質的量（寫兩條）．
（2）恒溫恒容條件能說明該可逆反應達平衡的是D；
A．2v_正（H₂）=v_逆（CH₃OH）
B．n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1
C．混合氣體的密度不變
D．混合氣體的平均相對分子質量不變
（3）若上述可逆反應在恒溫恒容的密閉容器進行，起始時間向該容器中沖入1molCO（g）和2molH₂（g）．實驗測得H₂的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如圖所示．
①該反應的△S＜0，圖中的T₁＜T₂（填“＜”“＞”或“=”）
②T₁下到達平衡狀態(tài)A時，容器的體積為2L，此時該反應的平衡常數為4L²/mol²，若達到平衡狀態(tài)B時，則容器的體積V（B）=0.4L．
（4）已知：H₂（g）燃燒熱△H=-285.8KJ•mol^-1、和CO（g）燃燒熱△H=-283.0KJ•mol^-1，則CH₃OH（g）燃燒熱的熱化學方程式是為$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）=C{O}_{2}（g）+2{H}_{2}O$△H=-726.5kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）反應是可逆反應，也是一個體系壓強減小的反應，根據勒夏特列原理考慮控制相關條件來改變轉化率；
（2）恒溫恒容條件，聯系常用判斷反應達到平衡的判據解答；
（3）①隨著該反應的進行，體系總壓強減小，氣體分子數減小，反應是熵減的反應，根據圖象，結合勒夏特列原理解答；
②根據平衡常數的表達式$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$，結合圖象計算；
（4）根據反應的焓變=反應物的總燃燒熱-生成物的總燃燒熱來計算CH₃OH（g）的燃燒熱，燃燒熱的是指1mol標準物質完全燃燒生成穩(wěn)定參考物時反應反應放出的熱．

解答 解：（1）該反應式可逆反應，隨著反應的進行，氣體分子總數減小，體系壓強減小，反應焓變＜0，表明反應是放熱反應，為了使化學反應速率和CO的轉化率同時提高，根據勒夏特列原理，可以考慮采取的措施有增大壓強，增加氫氣的物質的量．故答案為：增大壓強、增加氫氣的物質的量．
（2）恒溫恒容條件下，常用判斷化學反應達到平衡的判據有正逆反應速率，熱量變化情況，體系有氣體參與時的壓強變化等．
A．能判定化學反應達到平衡的速率關系應為v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH），故A錯誤；
B．當反應物按照化學計量比1：2反應，到達平衡時，各組分的物質的量之比需視具體的轉化率而定，n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1不可作為判據，故B錯誤；
C．混合氣體的密度為$ρ=\frac{{m}_{混}}{V}$，在恒溫恒容密閉體系中，根據質量守恒定律，m_混是不變的，整個反應過程混合氣體的密度是不變的，不可作為判據，股C錯誤；
D．混合氣體的平均相對分子質量為$\overline{M}=\frac{{m}_{混}}{n}$，由于化學反應前后，氣體的物質的量在改變，則混合氣體的平均相對分子質量隨著反應的進行將發(fā)生改變直到反應達到平衡，可以作為判據，故D正確．
故選D．
（3）①反應在恒溫恒容密閉容器中進行，起始時向容器中沖入1molCO（g）和2molH₂（g），實驗測得H₂的平衡轉化率隨溫度（T）和壓強（p）的變化有圖，根據圖象，隨著該反應的進行，體系總壓強減小，氣體分子數減小，反應是熵減的反應，即體系的混亂度減小，故△S＜0；控制壓強不變，發(fā)現T₁溫度下的H₂轉化率更高，結合反應是放熱的反應（△H＜0）可知，溫度減小有利于反應物的轉化率提高，故T₁＜T₂．故答案為：＜，＜．
②T₁下達平衡狀態(tài)A時，根據圖象可知，此時體系壓強為p₁，H₂轉化率為0.5，已知容器的體積為2L，則平衡時，根據反應方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），由于氫氣的轉化率為0.5，則氫氣轉化了△n（H₂）=2mol×0.5=1mol，則CO轉化了△n（CO）=0.5mol，生成了CH₃OH為△n（CH₃OH）=0.5mol，因此平衡時$c（CO）=\frac{1-0.5}{2}=0.25mol/L$，$c（{H}_{2}）=\frac{2-1}{2}=0.5mol/L$，$c（C{H}_{3}OH）=\frac{0.5}{2}=0.25mol/L$，根據平衡常數的表達式$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$=$\frac{0.25mol/L}{（0.5mol/L）^{2}×0.25mol/L}$=4L²/mol²．
當反應達到平衡狀態(tài)B時，根據圖象，此時壓強為p₂，氫氣的轉化率為0.8，此時氫氣轉化了△n（H₂）=2mol×0.8=1.6mol，根據反應方程式，CO轉化了△n（CO）=0.8mol，生成了CH₃OH為△n（CH₃OH）=0.8mol，設此時容器體積為VL，則平衡時$c（CO）=\frac{1-0.8}{V}=\frac{0.2}{V}$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狀態(tài)溫度也為T₁，反應平衡常數仍為K=4L²/mol²，則$K=\frac{\frac{0.8}{V}mol/L}{（\frac{0.4}{V}mol/L）^{2}•\frac{0.2}{V}mol/L}$=4L²/mol²，解得V（B）=0.4L．
故答案為4L²/mol²，0.4．
（4）反應的焓變=反應物的總燃燒熱-生成物的總燃燒熱，已知H₂的燃燒熱為△H（H₂）=-285.8kJ/mol，CO的燃燒熱為△H（CO）=-283.0kJ/mol，反應CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），該反應的焓變?yōu)椤鱄=△H（CO）+2△H（H₂）-△H（CH₃OH，g）=-128.1kJ/mol，解得△H（CH₃OH，g）=-726.5kJ/mol，則CH₃OH（g）的燃燒熱的熱化學方程式為：$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）$═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ/mol．
故答案為：$C{H}_{3}OH（g）+\frac{3}{2}{O}_{2}（g）$═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.5kJ/mol．

點評 本題考查化學平衡的移動，平衡的條件判斷，熱化學的相關內容．需注意高中的化學平衡常數一般是實驗平衡常數，有單位，燃燒熱的反應中最終的產物是穩(wěn)定的參考物質，比如C完全燃燒生成的須是CO₂（g），氫氣完全燃燒生成的須是H₂O（l）．題目為中檔題難度．