Question

【题目】费托合成是以合成气(CO 和 H2 混合气体)为原料在催化剂和适当条件下合成烯烃(C2~C4)以及烷烃(CH4、C5~C11、C12~C18 等，用Cn H2n+2 表示)的工艺过程。

已知：① 2CO(g) +O2(g) =2CO2 (g) △H1 =a

②2H2(g) + O2(g)=2H2O(g) △H2 =b

③

回答下列问题：

(1)反应(2n +1)H2 (g)+nCO(g)=CnH2n+2(g)+nH2O(g)的 △H_____。(用含有a、b、c、n 的式子表示)

(2)费托合成产物碳原子分布遵循 ASF 分布规律。碳链增长因子(α)是描述产物分布的重要参数，不同数值对应不同的产物分布。ASF 分布规律如图，若要控制 C2~C4 的质量分数 0.48~0.57，则需控制碳链增长因子(α)的范围是________。

(3)近期，我国中科院上海高等研究院在费托合成烃的催化剂上取得重大进展。如图所示，Co2C作催化剂的规律是：选择球形催化剂时_____，选择平行六面体催化剂时_____。

(4)中科院大连化物所研究团队直接利用CO2 与H2 合成甲醇。一定条件下，向 2L 恒容密闭容器中充入1molCO2和 2mol H2发生反应“CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H”。CO2 的平衡转化率(α)与温度(T)的关系如图所示。

①判断△H_______0。(填“大于”“小于”或“等于”)

②500 K 时，反应 5 min 达到平衡。计算 0~5 min 用H2O 表示该反应的化学反应速率为_________，该反应的平衡常数为__________。

③500 K 时，测定各物质的物质的量浓度分别为 c(CO2)=0.4 mol/L、c(H2) = 0.2 mol/L、c(CH3OH) = 0.6 mol/L、c(H2O) = 0. 6 mol/L，此时反应____ (填“是”或“否”) 达到平衡，理由是_____ 。

④一定条件下，对于反应 CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)。下列说法中不能表明反应达到平衡的是_____。

a.恒温恒容下，c(CH3OH)=c(H2O)

b.恒温恒容下，体系的压强保持不变

c.恒温恒容下，体系的平均摩尔质量不变

d.相同时间内，断裂 H－H 键和断裂 H－O 键之比 1：1

Answer 1

【答案】 0.3~0.6 主要产物为CH4 产物有CH2=CH2、C3H6、C4H8 小于 0.06 mol/(L ·min) 450(mol/L)-2 否 ≠450 a

【解析】

(1)根据盖斯定律解答；

(2)由图可知要控制C2~C4的质量分数0.48~0.57是对应的数值范围；

(3)根据图示球棍模型的比例判断产物的分子式；

(4) ①右图可知随着温度升高CO2的平衡转化率降低，平衡逆向移动分析；

②根据计算；

③列 “三段式”，求算500K时平衡常数，比较Qc与平衡常数的大小判断；

④根据达到平衡状态时的特点分析。

(1)已知：① 2CO(g) +O2(g) =2CO2 (g) △H1 =a

②2H2(g) + O2(g)=2H2O(g) △H2 =b

③

根据盖斯定律：×①+×②-③，可得反应(2n+1)H2(g)+nCO(g)=Cn(g)+nH2O(g)的△H=；

(2)由图可知要控制C2~C4的质量分数0.48~0.57需控制碳链增长因子(α)的范围是0.3~0. 6；

(3)CO2C作催化剂的规律是：选择球形催化剂时主要产物为CH4，选择平行六面体催化剂时产物有CH2 =CH2、CH2 = CHCH3、CH2=CHCH2CH3或C2H4、C3H6、C4H8。

(4)①右图可知随着温度升高CO2的平衡转化率降低，故△H小于0。

②500 K 时，二氧化碳转化率为60%，即参与反应的物质的量为0.6mol，根据反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，水蒸气的变化物质的量为0.6mol，则=0.06 mol/(L·min)。

③初始时刻， CO2和H2的物质的量浓度分别为0.5mol/L、1 mol/L，500 K 时，二氧化碳转化率为60%，列“三段式”：

，代入数据；≠，反应未达到平衡状态；

④反应CO2(g)+ 3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)气体分子数减小。

a．若平衡正向建立必有c(CH3OH)=c(H2O)，不能表明反应已达平衡，故a错误；

b．恒温恒容下，压强p~n，n必然变化，当p不变，表明反应已达平衡，故b正确；

c．反应物、产物均为气体，气体质量不变，n减小(增大)，M=即M必然变化，当M不变，表明反应已达平衡，故c正确；

d．断裂H－H键(v正)断裂H－O键(v逆)1∶1，v正= v逆，表明反应已达平衡，故d正确；

答案选a。