Question

【题目】Ⅰ.为减少碳排放，科学家提出利用CO2和H2反应合成甲醇，其反应原理为CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)。

(1)上述反应常用CuO和ZnO的混合物作催化剂。经研究发现，催化剂中CuO的质量分数对CO2的转化率和CH3OH的产率有明显影响。实验数据如表所示：

根据数据表判断，催化剂中CuO的最佳质量分数为________。

(2)已知：①CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH1＝－41 kJ·mol－1；

②CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH2＝－91 kJ·mol－1。

写出由CO2和H2制备甲醇蒸气并产生水蒸气的热化学方程式：______________________________。

(3)甲醇是清洁能源。某甲醇燃料电池的电解质为稀硫酸，其能量密度为5.93 kW·h·kg－1。该电池的负极反应式为______________。若甲醇的燃烧热为ΔH＝－726.5 kJ·mol－1，该电池的能量利用率为________(结果精确到小数点后1位数字)。(已知1 kW·h＝3.6×106 J)

Ⅱ.利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇，发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。在体积一定的密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2，测得平衡混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化情况如图1所示。现有两个体积相同的恒容密闭容器甲和乙，向甲中加入1 mol CO和2 mol H2，向乙中加入2 mol CO和4 mol H2，测得不同温度下CO的平衡转化率如图2所示。

(1)该反应的ΔH________(填“＞”、“＜”或“＝”，后同)0，p1________p2。

(2)达到平衡时，反应速率：A点________B点。平衡常数：C点________D点。

(3)在C点时，CO的转化率为________。

(4)L、M两点容器内压强：p(M)________2p(L)。

Answer 1

【答案】Ⅰ.(1)50%

(2)CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1

(3)CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋ 94.0%

Ⅱ.(1)＜ ＞ (2)＜ ＝ (3)75% (4)＞

【解析】Ⅰ.(1)根据数据表知，氧化铜的质量分数为50%时CO2的转化率和CH3OH的产率最高。(2)根据盖斯定律知，②－①得CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1。(3)甲醇在负极上发生氧化反应生成二氧化碳和氢离子。取1 mol甲醇计算：放出总热量Q为726.5 kJ，电池放电能量E＝5.93 kW·h·kg－1×0.032 kg×3 600 kJ·(kW·h)－1≈683.1 kJ，该电池的能量利用率为×100%≈94.0%。

Ⅱ.(1)从图示可以看出，随温度升高，平衡混合物中CH3OH的体积分数不断减小，说明该反应为放热反应，ΔH＜0；因为该反应是气体体积缩小的反应，图示中从C点到B点，平衡混合物中CH3OH的体积分数增大，反应向正反应方向移动，所以p1＞p2。(2)A点与B点相比较，B点压强大、温度高，反应速率快；C点与D点相比较，虽然压强不同，但温度相同，所以平衡常数相同。(3)假设CO的转化率为x，CO、H2的起始物质的量分别为1 mol、2 mol，

CO(g) ＋ 2H2(g) CH3OH(g)

起始物质的量： 1 mol 2 mol 0

变化物质的量： x mol 2x mol x mol

平衡物质的量： (1－x)mol (2－2x)mol x mol

根据题意：x mol÷[(1－x)mol＋(2－2x)mol＋x mol]×100%＝50%，x＝0.75。

(4)如果不考虑平衡移动，容器乙中气体总物质的量是容器甲中气体总物质的量的两倍，p(M)＝2p(L)，但现在容器乙温度高，反应又是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，气体的物质的量增加，所以p(M)＞2p(L)。