Question

【題目】甲醇來源豐富，有廣泛的用途和廣闊的應(yīng)用前景，工業(yè)上可以利用CO和CO2生產(chǎn)甲醇，同時(shí)可以利用甲醇生產(chǎn)丙烯。制備甲醇，丙烯過程可能涉及的反應(yīng)如下：

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

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

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

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

回答下列問題：

(1)反應(yīng)Ⅱ的ΔH2=________。

(2)反應(yīng)Ⅲ能夠自發(fā)進(jìn)行的條件是________(填“較低溫度”“較高溫度”或“任何溫度”)，據(jù)研究該反應(yīng)過程中起催化作用的為Cu2O，反應(yīng)體系中含少量CO2有利于保持催化劑Cu2O的量不變，原因是________(用化學(xué)方程式表示)。

(3)恒溫，恒容密閉容器中，對(duì)于反應(yīng)Ⅰ，下列說法中能說明該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是________。

A.混合氣體的密度不再變化

B.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化

C.CO2的生成速率與CH3OH的生成速率相等

D.容器的壓強(qiáng)不再變化

(4)甲醇生產(chǎn)丙烯的同時(shí)，還生成乙烯。在某催化劑作用下，2L密閉容器中加入0.5mol甲醇，經(jīng)過相同時(shí)間后測(cè)得甲醇轉(zhuǎn)化率及丙烯的選擇性(生成丙烯的甲醇與甲醇轉(zhuǎn)化量的比值)與反應(yīng)溫度之間的關(guān)系如圖所示。計(jì)算600℃時(shí)反應(yīng)甲醇生產(chǎn)丙烯的反應(yīng)Ⅳ平衡常數(shù)________。若將容器體積壓縮為1L，其他條件不變，在如圖中作出甲醇平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化曲線。________。

(5)研究表明，甲醇可由CO2在強(qiáng)酸性水溶液中通過電解合成，則生成甲醇的反應(yīng)電極反應(yīng)式：_______。

Answer 1

【答案】+41.0kJ/mol 較低溫度 Cu2O+CO2Cu+CO2 BCD 0.16875 CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律計(jì)算待求反應(yīng)的反應(yīng)熱；

(2)根據(jù)反應(yīng)自發(fā)性判斷依據(jù)分析，從平衡移動(dòng)角度分析CO2存在對(duì)催化劑的影響；

(3)根據(jù)平衡狀態(tài)時(shí)任何物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度及含量保持不變，分析判斷；

(4)根據(jù)圖示可知反應(yīng)在600℃時(shí)甲醇轉(zhuǎn)化率是60%，根據(jù)反應(yīng)開始時(shí)的物質(zhì)的量濃度，物質(zhì)的反應(yīng)關(guān)系計(jì)算平衡常數(shù)，利用該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)分析；

(5)根據(jù)反應(yīng)中元素化合價(jià)的變化及物質(zhì)書寫電極反應(yīng)式；

(1)由于反應(yīng)熱與反應(yīng)途徑無關(guān)，只與反應(yīng)的物質(zhì)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，所以反應(yīng)I-反應(yīng)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)反應(yīng)III的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)△G=△H-T△S<0，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，則若反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，由于△H<0，△S<0，所以反應(yīng)溫度要在低溫條件下才符合△G<0的條件；

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)在催化劑Cu2O存在條件下進(jìn)行，體系中同時(shí)存在反應(yīng)Cu2O+CO2Cu+CO2，若反應(yīng)體系中含少量CO2，則增大了生成物的濃度，平衡逆向移動(dòng)，可以產(chǎn)生該反應(yīng)的催化劑Cu2O，使催化劑的量保持不變，因而可使反應(yīng)速率可大大加快；

(3)對(duì)于反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)。

A.反應(yīng)混合物都是氣體，氣體的質(zhì)量、體積都不變，因此密度始終不變，因此不能據(jù)此判斷反應(yīng)為平衡狀態(tài)，A錯(cuò)誤；

B.反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量改變，而氣體的質(zhì)量不變，若混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化，說明反應(yīng)處于平衡狀態(tài)，B正確；

C.CO2的生成速率與CH3OH的生成速率相等，則任何一種物質(zhì)的濃度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡，C正確；

D.容器的壓強(qiáng)不再變化，說明氣體的物質(zhì)的量不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，D正確；

故合理選項(xiàng)是BCD；

(4)根據(jù)圖示可知反應(yīng)在600℃時(shí)甲醇轉(zhuǎn)化率是60%，在反應(yīng)開始時(shí)c(CH3OH)=0.25mol/L，達(dá)到平衡時(shí)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，則該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K==0.16875；由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，所以在其它條件不變時(shí)，若將容器的體積由2L變?yōu)?/span>1L，即增大了體系的壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向氣體體積減小的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致甲醇平衡轉(zhuǎn)化率降低，用圖像表示為：；

(5)CO2在酸性條件下，在陰極被還原產(chǎn)生CH3OH，反應(yīng)方程式為：CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。