Question

20．煤气化和液化是现代能源工业中重点考虑的能量综合利用方案．最常见的气化方法为用煤生成水煤气，而当前比较流行的液化方法用煤生成CH₃OH．
（1）已知：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₃
则反应CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g） 的△H=△H₁+$\frac{△{H}_{2}-△{H}_{3}}{2}$．
（2）如图1是该反应在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线．
①T₁和T₂温度下平衡常数大小关系是K₁＞K₂（填“＞”“＜”或“=”）．
②由CO合成甲醇时，CO在250℃、300℃、350℃下达到平衡时转化率与压强的关系曲线如图2所示，则曲线c所表示的温度为350℃，实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失．
③以下有关该反应的说法正确的是AD（填序号）．
A．恒温、恒容条件下同，若容器内的压强不发生变化，则可逆反应达到平衡
B．一定条件下，H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍时，可逆反应达到平衡
C．使用合适的催化剂能缩短达到平衡的时间并提高CH₃OH的产率
D．某温度下，将2molCO和6molH₂充入2L密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c（CO）=0.2mol/L，则CO的转化率为80%
（3）一定温度下，向2L固定体积的密闭容器中加入1molCH₃OH，发生反应：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），H₂的物质的量随时间变化的曲线如图3所示．0～2min内的平均反应速率v（CH₃OH）=0.125mol•L^-1•min^-1；该温度下，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K=4L²•mol^-2；相同温度下，若开始加入CH₃OH（g）的物质的量是原来的2倍，则D 是原来的2倍．
A．平衡常数      B．CH₃OH的平衡浓度     C．达到平衡的时间   D．平衡时气体的密度．

Answer 1

分析 （1）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂
③2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₃
可利用盖斯定律将①+$\frac{1}{2}×$②-$\frac{1}{2}×$③计算CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g） 的△H$\frac{△{H}_{2}-△{H}_{3}}{2}$；
（2）①由图象可知升高温度CO的转化率降低，说明平衡逆向移动；
②升高温度CO的转化率降低，曲线c转化来看最低，温度应最高，即为350℃，根据CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系图2，可以知道在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失；
③A．反应前后气体的物质的量不等，恒温、恒容条件下同，若容器内的压强不发生变化，可说明可逆反应达到平衡；
B．无论是否达到平衡状态，都存在H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍；
C．催化剂不能使平衡发生移动；
D．计算c（CO）以及剩余CO的物质的量，可计算转化率．
（3）平衡时氢气的浓度为0.5mol/L，v（H₂）=$\frac{0.5mol/L}{2miqn}$=0.25mol•L^-1•min^-1，则v（CH₃OH）=0.125mol•L^-1•min^-1，计算平衡浓度，可计算平衡常数，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数是该反应的逆反应，体积不变的容器中，反应物与生成物全是气体，质量加倍，密度加倍．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂
③2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H₃
则由①+$\frac{1}{2}×$②-$\frac{1}{2}×$③可得CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g） 的△H=（△H₁+$\frac{△{H}_{2}-△{H}_{3}}{2}$），
故答案为：△H₁+$\frac{△{H}_{2}-△{H}_{3}}{2}$；
（2）①由图象可知升高温度CO的转化率降低，说明平衡逆向移动，则K减小，即K₁＞K₂，故答案为：＞；
②升高温度CO的转化率降低，曲线c转化来看最低，温度应最高，即为350℃，根据CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系图2，可以知道在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失，
故答案为：350；在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失；
③A．反应前后气体的物质的量不等，恒温、恒容条件下同，若容器内的压强不发生变化，可说明可逆反应达到平衡，故A正确；
B．无论是否达到平衡状态，都存在H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍，不能判断是否达到平衡状态，故B错误；
C．使用合适的催化剂能缩短达到平衡的时间，但不能使平衡发生移动，故C错误；
D．某温度下，将2molCO和6molH₂充入2L密闭容器中，充分反应，达到平衡后，测得c（CO）=0.2mol/L，则剩余0.4molCO，则CO的转化率为$\frac{2mol-0.4mol}{2mol}×100%$=80%，故D正确．
故答案为：AD；
（3）平衡时氢气的浓度为0.5mol/L，v（H₂）=$\frac{0.5mol/L}{2miqn}$=0.25mol•L^-1•min^-1，则v（CH₃OH）=0.125mol•L^-1•min^-1，
                  CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
反应前浓度（mol/L ）0.5        0       0
反应的浓度（mol/L ）0.25      0.25    0.5
反应的浓度（mol/L ）0.25      0.25    0.5
代入公式K=$\frac{0.5×0.5×0.25}{0.25}$=0.25，求得该反应的化学平衡常数为0.25（mol•L）²．
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数是该反应的逆反应，所以系数是其倒数，应为4，
体积不变的容器中，反应物与生成物全是气体，质量加倍，故密度加倍，
故答案为：0.125mol•L^-1•min^-1； 4 L²•mol^-2； D．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡常数、化学反应速率计算及影响因素、化学平衡图象等，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意理解掌握平衡移动原理，难度中等．