Question

【题目】工业上可用CO2和H2反应合成甲醇。

已知25°C、101 kPa下：

H2(g)+1/2O2(g)=H2O (g) △H1= - 242kJ/mol

CH3OH(g)+3/2O2(g) =CO2(g)+2H2O(g) △H2= - 676kJ/mol

（1）写出CO2与H2反应生成CH3OH(g)与H2O (g)的热化学方程式_________________。常温下，某实验中将6 mol CO2和8 mol H2充入2 L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图曲线 (甲)所示。请完成下列问题：

（2）该反应能在________（填“高温”或“低温”）条件下自发进行；从a点到b点，用H2表示该反应的平均化学反应速率是____________。（保留两位有效数字），a点逆反应速率_____b点逆反应速率(填“>”、“<”或“＝”)；达平衡时，CO2的转化率是_____。

（3）若仅改变某一实验条件再进行一次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线(乙)所示，曲线(乙)对应改变的实验条件可以是________(填序号)。

a．加催化剂 b．增大压强 c．升高温度 d．增大H2浓度

（4）若曲线甲b点达到平衡时体系压强为100MPa，此时H2的平衡分压为_______MPa。(某物质分压＝总压×某物质的物质的量分数)

（5）下列叙述能标志该反应达到化学平衡状态的是_________

a．CO2与H2的转化率之比不变 b．υ(生成H2) : υ(消耗H2O) = 3:1

c．混合气体的相对分子质量不变 d．甲醇与水蒸气的分压比不变

Answer 1

【答案】CO2(g)＋3H2(g) ＝CH3OH(g)＋H2O(g)　 ΔH＝ -50 kJ/mol 低温 0.28mol/(L·min) < 33.3% b 20 ac

【解析】

(1)根据盖斯定律对已知热化学方程式进行加合运算。

(2) 由CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) 的ΔH、ΔS的正负，再根据ΔH－TΔS<0时反应才能自发进行，确定该反应自发进行的温度条件。由图像分析，初始只投入了反应物，从正反应开始，第8min后反应已处于平衡状态，根据反应速率公式=计算H2的平均反应速率。根据逆反应速率受生成物浓度影响分析a、b两点逆反应速率的相对大小。最后根据转化率概念计算CO2的转化率。

(3)从图像分析，再一次实验时起始投料不变，达到平衡所需要的时间缩短，平衡时H2的物质的量比甲曲线小，表明平衡向正反应方向移动。由此分析。

(4)根据相关数据先计算H2平衡时物质的量分数，再根据“某物质分压＝总压×某物质的物质的量分数”得到H2的平衡分压。

(5)根据化学平衡状态的特征分析。

(1)给已知的热化学方程式编号①H2(g)+O2(g)=H2O (g) △H1= - 242kJ/mol。②CH3OH(g)+O2(g) =CO2(g)+2H2O(g) △H2= - 676kJ/mol。根据盖斯定律，将①×3－②得：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝(- 242kJ/mol)×3－(- 676kJ/mol)= -50 kJ/mol。即所求的热化学方程式为CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH=-50 kJ/mol。

(2) 由反应CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH=-50 kJ/mol可知，该反应ΔH<0，ΔS<0，因为只有当ΔH－TΔS<0时该反应才能自发进行，因此只有T值较小时（即低温）下才可能自发进行。由图像知从a点到b点过程中Δc(H2)=－=2mol/L，Δt=8min－1min=7min，则用H2表示该反应的平均反应速率===0.28mol/(L·min)。反应开始时生成物浓度为0，逆反应速率为最小，反应开始后生成物浓度逐渐增大，逆反应速率逐渐增大，所以a、b两点逆反应速率大小关系为：a<b。由图像可知b、c两点处于平衡状态，平衡时H2的物质的量为2mol，参加反应的H2的物质的量Δn(H2)=8mol－2mol=6mol，根据反应方程式计量数得CO2的转化量Δn(CO2)=·Δn(H2)= ×6mol=2mol，所以达平衡时CO2的转化率=×100%=×100%=33.3%。

(3)分析图像可知，再一次实验的初始投料相同，达到平衡所用时间缩短，平衡向正反应方向移动。a.催化剂不会使平衡移动，a项错误；b.对于有气体参加的反应，增大压强，反应速率增大，平衡向气体体积减小的方向移动，所以增大压强，该反应达到平衡所用时间缩短，平衡向正反应方向移动，b项正确；c.升高温度平衡向吸热反应方向移动，即该反应向逆反应方向移动，c项错误；d.由图像知初始时H2的浓度没有变化，d项错误；答案选b。

(4)曲线甲的b点达到平衡时H2的物质的量为2mol，由“三段式”分析如下：

平衡时H2的物质的量分数=×100%=20%，则H2的平衡分压=100MPa×20%=20MPa。

(5)a. 由反应CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(g)＋H2O(g)可知，反应过程中CO2和H2转化量之比=1:3，但初始时CO2和H2的物质的量之比=6mol:8mol=3:4≠1:3，因此反应过程中CO2和H2的转化率之比≠1:3，且一直在变化，只有达到平衡状态时CO2和H2的转化率之比才不变，所以CO2与H2的转化率之比不变，能标志该反应达到化学平衡状态，a项正确；b.υ(生成H2)表示逆反应速率，υ(消耗H2O)也表示逆反应速率，不能确定此时反应是否达到化学平衡状态。所以υ(生成H2) : υ(消耗H2O) = 3:1，不能标志该反应达到化学平衡状态，b项错误；c.根据质量守恒，反应过程中混合气体总质量（m总）不变，由反应方程式知，在反应过程中混合气体的总物质的量（n总）一直减小，根据混合气体的相对分子质量公式=可推知，混合气体的相对分子质量在反应过程中一直在变化，只有达到平衡状态时才不变，所以混合气体的相对分子质量不变，能标志该反应达到化学平衡状态，c项正确；d.根据“某物质分压＝总压×某物质的物质的量分数”可知，物质分压与对应组分的物质的量成正比，由反应方程式计量数知，生成甲醇与水蒸气的物质的量之比一直等于1:1，因此反应过程中甲醇与水蒸气的分压比一直不变，所以甲醇与水蒸气的分压比不变，不能标志该反应达到化学平衡状态，d项错误；答案选ac。