Question

【题目】碳及其化合物在化工生产中有着广泛的应用。

I.为解决大气中CO2的含量增大的问题，某科学家提出如下构想：

把工厂排出的富含CO2的废气经净化吹入碳酸钾溶液吸收，然后再把CO2从溶液中提取出来，在合成塔中经化学反应使废气中的CO2转变为燃料甲醇。

部分技术流程如下:

⑴合成塔中反应的化学方程式为____________；△H<0。该反应为可逆反应，从平衡移动原理分析，低温有利于提高原料气的平衡转化率。而实际生产中采用300℃的温度，除考虑温度对反应速率的影响外，还主要考虑了___________________________________________________________________。

(2)从合成塔分离出甲醇的原理与下列_______操作的原理比较相符(填字母）

A.过滤 B.分液 C.蒸馈 D.结晶

(3)如将CO2与H2以1:4的体积比混合，在适当的条件下可制得CH4。写出CO2(g)与H2(g)反应生CH4(g)与液态水的热化学方程式:

已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol

_______________________________________________________________________。

II.甲烷燃烧会放出大量的热，可作为能源应用于人类的生产和生活。

己知：①2CH4(g)+3O2(g)=2CO(g)+4H2O(l)； △H1=-1214.6kJ/mol

②CO2(g)=CO(g)+1/2O2(g)； △H2=+283.0kJ/mol

则表示甲烷燃烧热的热化学方程式______________________________。

III.某兴趣小组模拟工业合成甲醇的反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在容积固定为2L的密闭容器中充入1mol CO 2mol H2，加入合适的催化剂（催化剂体积忽略不计）后开始反应。测得容器内的压强随时间变化如下:

时间/min	0	5	10	15	20	25
压强/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

(1)从反应开始到20min时，以CO表示反应速率为_____________________。

(2)下列描述能说明反应达到平衡的是_______________________

A.装置内气体颜色不再改变 B.容器内气体的平均摩尔质量保持不变

C.容器内气体的压强保持不变 D.容器内气体密度保持不变

(3)该温度下平衡常数K=____，若达到平衡后加入少量CH3OH(g)，此时平衡常数K值将____ (填“增大”、“减小”或“不变”)

(4)该反应达到平衡后，再向容器中充入1mol CO 2mol H2，此时CO的转化率将__________(填“增大”、“减小”或“不变”)

Answer 1

【答案】 CO2+3H2CH3OH+H2O 催化剂的催化活性、反应速率 C CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) △H=-890.3kJ/mol 0.0125mol·L-1·min-1 BC 4 不变 增大

【解析】试题分析：本题考查反应热的计算，热化学方程式的书写，化学反应速率的计算，化学平衡的判断，外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响以及实际应用。

I（1）富含CO2的废气经净化被碳酸钾溶液吸收发生反应CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3，在分解池中发生反应2KHCO3K2CO3+H2O+CO2↑，合成塔中由CO2和H2在2105Pa、300℃、铬锌触媒作用下反应生成CH3OH，反应的化学方程式为CO2+3H2CH3OH+H2O。该反应的ΔH0，低温有利于平衡正向移动，提高原料的转化率，采用300℃除了考虑温度对化学反应速率的影响，还考虑温度对催化剂催化活性、反应速率的影响。

（2）常温下CH3OH和H2O互相混溶，从合成塔分离出CH3OH， 采用类似于蒸馏的操作原理。

（3）将CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol和2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH2=-571.6kJ/mol依次编为①、②，运用盖斯定律，②2-①得CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) ΔH=（-571.6kJ/mol）2-（-890.3kJ/mol）=-252.9kJ/mol，则反应的热化学方程式为CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) ΔH=-252.9kJ/mol。

II运用盖斯定律，①-②得，CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) ΔH=（-1214.6kJ/mol）-（+283.0kJ/mol）=-890.3kJ/mol，则CH4燃烧热的热化学方程式为CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJ/mol。

III（1）运用三段式计算，设反应开始到20min内转化的CO物质的量为xmol，则

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

n（起始）（mol） 1 2 0

n（转化）（mol） x 2x x

n（20min末）（mol）1-x 2-2x x

根据恒温恒容时气体压强之比等于物质的量之比，列式=，解得x=0.5，则从反应开始到20min内υ（CO）=0.5mol2L20min=0.0125mol·L-1·min-1。

（2）A项，CO、H2、CH3OH（g）都是无色气体，颜色不再变化不能说明反应已达平衡，错误；B项，由于所有物质都呈气态，气体的总质量始终不变，正反应为气体分子数减小的反应，建立平衡的过程中气体总物质的量减小，气体的平均摩尔质量增大，气体的平均摩尔质量不变表明反应达到平衡状态，正确；C项，恒温恒容时气体压强之比等于气体物质的量之比，正反应为气体分子数减小的反应，建立平衡的过程中气体总物质的量减小，混合气的压强减小，气体的压强不变表明达到平衡状态，正确；D项，由于所有物质都呈气态，气体的总质量始终不变，容器的体积不变，混合气的密度始终不变，混合气的密度不变不能作为平衡的标志，错误；答案选BC。

（3）20min、25min时压强不变说明已经达到平衡状态，根据上述计算知平衡时CO、H2、CH3OH（g）的浓度依次为0.25mol/L、0.5mol/L、0.25mol/L，则该温度下的化学平衡常数K==4。化学平衡常数K只与温度有关，若达到平衡后加入少量CH3OH(g)，K值不变。

（4）该反应达到平衡后，再向容器中充入1mol CO、2mol H2，相当于增大压强，平衡正向移动，CO的转化率增大。