Question

【题目】甲醇是一种重要的有机原料，在催化剂的作用下，CO和H2反应可生成甲醇 (CH3OH) 和副产物CH4，反应如下：

反应①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-90.0kJ/mol

反 应②CO(g)+3H2(g)CH4(g) + H2O(g) △H2

反应③ CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+ 4H2(g) △H3=+125.0 kJ/mol

反应④CO(g)+ H2O(g)CO2(g) + H2(g) △H4=-25.0 kJ /mol

K1、K2、K3、K4分别表示反应①、②、③、④的平衡常数。

回答下列问题：

（1）反应②的平衡常数的表达式为K2=______________，K2与K3和K4的关系为K2=______________，△H2=____________kJ/mol。

（2）图1中能正确表示反应①的平衡常数(lgK1) 随温度变化的曲线为______________（填曲线字母），其判断理由为______________________________________________________________。

（3）恒温恒容的条件下，下列情况能说明反应①达到平衡状态的是__________________。

A.2v正 (H2)=v逆(CH3OH) B.混合气体的密度不再改变

C.混合气体的平均摩尔质量不再改变 D.混合气体的压强不再改变

（4）为探究不同催化剂对CO和H2生成CH3OH的选择性效果，某实验室控制CO和H2的初始投料比为1∶3进行实验，得到如下数据：

T/K	时间/min	催化剂种类	甲醇的含量(%)
450	10	CuO-ZnO	78
450	10	CuO-ZnO-ZrO2	88
450	10	ZnO-ZrO2	46

①由表1可知，反应①的最佳催化剂为______________，图2中a、b、c、d四点是该温度下CO平衡转化率的是_________________________________。

②有利于提高CO转化为CH3OH的平衡转化率的措施有_________________。

A.使用催化剂CuO-ZnO-ZrO2 B.适当降低反应温度

C.增大CO和H2的初始投料比 D.恒容下，再充入a molCO和3a mol H2

（5）已知1000℃，反应CO(g)+ H2O(g)CO2(g) + H2(g) K4=1.0。该温度下，在某时刻体系中CO、H2O、CO2、H2的浓度分别为3molL-1、1molL-1、4molL-1、2molL-1，则此时上述反应的v正(CO)_______v逆(CO) （填“＞”、“＜”或“=”）达到平衡时c(CO)=___________ molL-1。

Answer 1

【答案】 c(CH4)c(H2O)/[ c(CO)c3 (H2)] K4/K3 -150.0 A 该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小，lgK减小 CD CuO-ZnO-ZrO2 cd BD < 3.5

【解析】（1）反应②的平衡常数的表达式为K2= c(CH4)c(H2O)/[ c(CO)c3 (H2)]；反应②=反应④-反应③，所以K2= K4/K3；△H2=△H4-△H3=-25.0kJ/mol-（+125.0kJ/mol）= -150.0 kJ/mol。

（2）反应①正反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，平衡常数K减小，lgK减小，故能正确表示反应①的平衡常数(lgK1)随温度变化的曲线为A。答案为：A、该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，K减小，lgK减小。

（3）A、当v正(H2)= 2v逆(CH3OH)，可以说明反应已达平衡，A中速率的比值关系搞错，A不可以说明；B、恒温恒容下，混合气体的密度始终不改变，B不可以说明；C、混合气体的总质量不变，混合气体的物质的量随平衡的移动改变，故当混合气体的平均摩尔质量不再改变时，说明反应已达平衡，C可以说明；D、该反应是前后气体分子数发生改变的反应，当混合气体的压强不再改变时，说明反应已达平衡，D可以说明。故能说明反应①达到平衡状态的是CD。

（4）①由表1可知，温度相同时相同时间内，催化剂为CuO-ZnO-ZrO2时，甲醇的含量最高，所以反应①最好的催化剂为CuO-ZnO-ZrO2；反应①为放热反应，升高温度平衡逆向移动，K减小，图2中a到c段，K在增大，所以a到c段表示的是反应还未达到平衡，cd段才是平衡状态，即a、b点不是平衡点， c、d两点是相应温度下CO平衡转化率的点。 ②要提高CO转化为CH3OH的平衡转化率，对A：催化剂不影响平衡的移动，A错误；对B：该反应正反应为放热反应，适当降低温度，平衡右移，可以加大CO的转化率，B正确；对C：增大CO和H2的初始投料比，CO的转化率降低，C错误；对D：恒容下，再充入amolCO和3amolH2，先将这部分气体充入另一个容器，构成等效平衡，然后再压入原来容器，相当于增压，平衡右移，CO的转化率增大，D正确。故能提高CO转化率的是BD。

（5）某时刻该反应的浓度商Qc= c(CO2)c(H2)/[ c(CO)c(H2O)]=（4×2）/（3×1）=8/3> K4=1.0，所以反应在逆向进行，v正(CO)<v逆(CO)；设平衡左移过程中再生成xmol /L的CO，则达平衡时，CO、H2O、CO2、H2的浓度分别为(3+x)molL-1、(1+x)molL-1、(4-x)molL-1、(2-x)molL-1，达平衡时有(2-x)×(4-x)/ [(3+x)×(1+x)]=1，解得x=0.5，所以平衡时CO的浓度为c=(3+0.5)molL-1=3.5mol/L。