Question

【題目】甲醇既是重要的化工原料，又可作為燃料。利用CO2和H2在催化劑的作用下合成甲醇，主要發(fā)生的反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H1=-53.7 kJmol-1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) H2=+41.2 kJmol-1

(1)已知化學(xué)鍵的鍵能如下：

①反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+ 2H2(g) CH3OH(g) H3=_____________。

②碳氧雙鍵的鍵能為__________________。

③在某一條件下，上述反應(yīng)同時發(fā)生，若反應(yīng)I、Ⅱ、III的化學(xué)平衡常數(shù)分別為K1、K2、K3，則K2=____________________(用含K1、K3的形式表示)。

(2)研究表明，在催化劑存在下，CO2和H2可發(fā)生反應(yīng)I和Ⅱ。某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1：2．2，經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如下實驗數(shù)據(jù)(甲醇選擇性即轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分?jǐn)?shù))：

①543 K時，使用催化劑Cat．2，測得實驗數(shù)據(jù)時反應(yīng)I所處的狀態(tài)為________________(填：“正向進(jìn)行”、“平衡狀態(tài)”、“逆向進(jìn)行”)。

②有利于提高反應(yīng)I中H2平衡轉(zhuǎn)化率的措施是___________(填標(biāo)號)。

A．使用催化劑Cat．1 B．降低反應(yīng)溫度

C．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度 D．減小CO2和H2的初始投料比

(3)在上述反應(yīng)中，混合氣體CO、CO2和H2的組成關(guān)系為n(H2)／n(CO+ CO2)=2.60時，體系中的CO平衡轉(zhuǎn)化率α(CO)與溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示：

①圖中的壓強(qiáng)由大到小的順序為____________。

②α(CO)值隨溫度升高而變小的原因是________。

Answer 1

【答案】-94.9 kJ·mol-1 805.6 kJ·mol-1 K1/K3 正向進(jìn)行 BC p1>p2>p3 溫度升高，反應(yīng)Ⅲ平衡左移，反應(yīng)Ⅱ平衡右移，CO的物質(zhì)的量均增大，導(dǎo)致CO轉(zhuǎn)化率變小

【解析】

（1）本題考查蓋斯定律的應(yīng)用，通過蓋斯定律計算反應(yīng)的反應(yīng)熱，在化學(xué)反應(yīng)過程中斷開化學(xué)鍵吸收能量，形成新的化學(xué)鍵釋放能量，H=斷開化學(xué)鍵吸收能量-形成新的化學(xué)鍵釋放能量；

（2）543 K時，使用催化劑Cat．2，甲醇的選擇性高，說明反應(yīng)I正向進(jìn)行，通過平衡的相關(guān)知識分析反應(yīng)Ⅰ；

（3）反應(yīng)I正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)Ⅲ為吸熱反應(yīng)，需要同時考慮兩個反應(yīng)中的物質(zhì)的變化綜合分析作答。

（1）①根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅲ= 反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅱ，；②假設(shè)碳氧雙鍵的鍵能為x，由反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) H2=+41.2 kJmol-1，

根據(jù)化學(xué)鍵的鍵能計算：2x+436-1076-465×2=+41.2，求出x=805.6 kJ·mol-1；③；;

故答案為：①-94.9 kJ·mol-1；805.6 kJ·mol-1；K1/K3

(2) ① 543 K時，使用催化劑Cat．2，甲醇的選擇性高，說明反應(yīng)I正向進(jìn)行；②A.使用催化劑Cat．1只能改變速率，不能使平衡移動，故A錯誤；B. 反應(yīng)I為放熱反應(yīng)，降溫有利于平衡正向移動，氫氣轉(zhuǎn)化率增大，故B正確；C. 投料比為1：2．2，化學(xué)計量數(shù)比為1:3，投料比不變增大投料量，相當(dāng)于增大了反應(yīng)物中CO2的比例，平衡正向移動，氫氣轉(zhuǎn)化率增加，故C正確；D. 減小CO2和H2的初始投料比，相當(dāng)于增大了氫氣的初始量，氫氣的轉(zhuǎn)化率會降低，故D錯誤；本題選BC。故答案為：①正向進(jìn)行；②BC。

（3）①由圖可知，壓強(qiáng)一定時，隨溫度的升高，CO的轉(zhuǎn)化率減小，反應(yīng)I正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡體系中CO的量增大，反應(yīng)Ⅲ為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，又使平衡體系中CO的增大，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減��；相同溫度下，反應(yīng)Ⅲ前后氣體分子數(shù)不變，壓強(qiáng)改變不影響其平衡移動，反應(yīng)I正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故增大壓強(qiáng)有利于CO的轉(zhuǎn)化率升高，故壓強(qiáng)：P1>P2>P3；②反應(yīng)I正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡體系中CO的量增大，反應(yīng)Ⅲ為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動，又使平衡體系中CO的增大，總結(jié)果，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減��；故答案為：①P1>P2>P3；②溫度升高，反應(yīng)Ⅲ平衡左移，反應(yīng)Ⅱ平衡右移，CO的物質(zhì)的量均增大，導(dǎo)致CO轉(zhuǎn)化率變小。