Question

【题目】甲醇来源丰富，有广泛的用途和广阔的应用前景，工业上可以利用CO和CO2生产甲醇，同时可以利用甲醇生产丙烯。制备甲醇，丙烯过程可能涉及的反应如下：

反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.0kJ/mol

反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反应Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=－90.0kJ/mol

反应Ⅳ：3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O(g) △H4=－31.0kJ/mol

回答下列问题：

(1)反应Ⅱ的ΔH2=________。

(2)反应Ⅲ能够自发进行的条件是________(填“较低温度”“较高温度”或“任何温度”)，据研究该反应过程中起催化作用的为Cu2O，反应体系中含少量CO2有利于保持催化剂Cu2O的量不变，原因是________(用化学方程式表示)。

(3)恒温，恒容密闭容器中，对于反应Ⅰ，下列说法中能说明该反应达到化学平衡状态的是________。

A.混合气体的密度不再变化

B.混合气体的平均相对分子质量不再变化

C.CO2的生成速率与CH3OH的生成速率相等

D.容器的压强不再变化

(4)甲醇生产丙烯的同时，还生成乙烯。在某催化剂作用下，2L密闭容器中加入0.5mol甲醇，经过相同时间后测得甲醇转化率及丙烯的选择性(生成丙烯的甲醇与甲醇转化量的比值)与反应温度之间的关系如图所示。计算600℃时反应甲醇生产丙烯的反应Ⅳ平衡常数________。若将容器体积压缩为1L，其他条件不变，在如图中作出甲醇平衡转化率随温度的变化曲线。________。

(5)研究表明，甲醇可由CO2在强酸性水溶液中通过电解合成，则生成甲醇的反应电极反应式：_______。

Answer 1

【答案】+41.0kJ/mol 较低温度 Cu2O+CO2Cu+CO2 BCD 0.16875 CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1)根据盖斯定律计算待求反应的反应热；

(2)根据反应自发性判断依据分析，从平衡移动角度分析CO2存在对催化剂的影响；

(3)根据平衡状态时任何物质的物质的量、浓度及含量保持不变，分析判断；

(4)根据图示可知反应在600℃时甲醇转化率是60%，根据反应开始时的物质的量浓度，物质的反应关系计算平衡常数，利用该反应的正反应是气体体积增大的反应，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动分析；

(5)根据反应中元素化合价的变化及物质书写电极反应式；

(1)由于反应热与反应途径无关，只与反应的物质的始态和终态有关，所以反应I-反应III，整理可得CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=△H1-△H1=－49.0kJ/mol-(-90.0kJ/mol)=+41.0kJ/mol；

(2)反应III的正反应是气体体积减小的放热反应，根据反应自发进行的判断依据△G=△H-T△S<0，反应可自发进行，则若反应自发进行，由于△H<0，△S<0，所以反应温度要在低温条件下才符合△G<0的条件；

反应Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)在催化剂Cu2O存在条件下进行，体系中同时存在反应Cu2O+CO2Cu+CO2，若反应体系中含少量CO2，则增大了生成物的浓度，平衡逆向移动，可以产生该反应的催化剂Cu2O，使催化剂的量保持不变，因而可使反应速率可大大加快；

(3)对于反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，该反应的正反应是气体体积减小的放热反应。

A.反应混合物都是气体，气体的质量、体积都不变，因此密度始终不变，因此不能据此判断反应为平衡状态，A错误；

B.反应前后气体的物质的量改变，而气体的质量不变，若混合气体的平均相对分子质量不再变化，说明反应处于平衡状态，B正确；

C.CO2的生成速率与CH3OH的生成速率相等，则任何一种物质的浓度不变，反应达到平衡，C正确；

D.容器的压强不再变化，说明气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，D正确；

故合理选项是BCD；

(4)根据图示可知反应在600℃时甲醇转化率是60%，在反应开始时c(CH3OH)=0.25mol/L，达到平衡时c(CH3OH)=0.25mol/L(1-60%)=0.10mol/L，c(C3H6)=0.25mol/L×60%×=0.050mol/L，c(C3H6)=0.25mol/L×60%=0.15mol，则该反应的化学平衡常数K==0.16875；由于该反应的正反应是气体体积增大的反应，所以在其它条件不变时，若将容器的体积由2L变为1L，即增大了体系的压强，化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动，导致甲醇平衡转化率降低，用图像表示为：；

(5)CO2在酸性条件下，在阴极被还原产生CH3OH，反应方程式为：CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。