Question

4．甲醇是21世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的清潔燃料之一，通過下列反應(yīng)可以制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H

化學(xué)式	H2（g）	CO（g）	CH3OH（l）
標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱（25℃） △H/kJ•mol-1	-285.8	-283.0	-726.5

（1）已知：計算上述反應(yīng)的△H=-128.1 kJ•mol^-1．
（2）在容積可變的密閉容器中充入1molCO（g）和2molH₂（g）進(jìn)行CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）生
成CH₃OH（g），H₂的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化如圖1所示．
①該反應(yīng)的△S＜0，圖中的T₁＜T₂（填“＜”、“＞”或“=”）．
②當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)A 時，容器的體積為2L，此時該反應(yīng)的平衡常數(shù)為4，若達(dá)到平衡狀態(tài)B 時，則容器的體積V（B）=0.4 L．
③在該容器中，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是B．
A．升高溫度  B．從平衡體系中及時分離CH₃OH   C．充入He       D．再充入0.5mol CO和1mol H₂
（3）在容積固定為2L的密閉容器中充入2molCO（g）和6molH₂（g）生成CH₃OH（g）反應(yīng)時間與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系如圖2所示，則前10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率0.16mol/（L•min）；若15分鐘時升高體系溫度，在20分鐘時達(dá)到新平衡，此時氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，請在圖2中畫出15-25分鐘c （CO）的變化曲線．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律計算反應(yīng)CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ）的焓變，寫出熱化學(xué)方程式；
（2）①反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，據(jù)此分析判斷，壓強(qiáng)一定溫度越高平衡逆向進(jìn)行，氫氣的轉(zhuǎn)化率減��；
②在容積可變的密閉容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A點氫氣轉(zhuǎn)化率0.5，
                            CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    2                      0
變化量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
B點和A點溫度不變平衡常數(shù)不變，結(jié)合三行計算列式計算平衡濃度，結(jié)合平衡常數(shù)計算氣體體積；
③增加甲醇產(chǎn)率需要平衡正向進(jìn)行，注意容器為恒溫恒壓容器；
（3）在容積固定為2L的密閉容器中充入2molCO（ g ）和6molH₂（ g ）生成CH₃OH（ g ），圖中中是甲醇的濃度增加，達(dá)到平衡狀態(tài)甲醇濃度為0.8mol/L，據(jù)此計算甲醇反應(yīng)速率，速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比得到氫氣的反應(yīng)速率，計算平衡狀態(tài)下CO的濃度，若15分鐘時升高體系溫度，在20分鐘時達(dá)到新平衡，此時氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，改變條件后依據(jù)氫氣的轉(zhuǎn)化率列三行計算，得到平衡狀態(tài)下一氧化碳的濃度，據(jù)此畫出圖象變化．

解答 解：（1）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1 
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1 
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$×②得反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），
該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-283.0kJ•mol^-1+（-285.8kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-128.1kJ•mol^-1，
即CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-128.1kJ•mol^-1．
故答案為：-128.1；
（2）①CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ），反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，氣體體積減小反應(yīng)的熵變△S＜0，圖象中壓強(qiáng)一定隨溫度升高，平衡逆向進(jìn)行，氫氣轉(zhuǎn)化率減小，則T₁＜T₂，
故答案為：＜；＜；
②在容積可變的密閉容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A點氫氣轉(zhuǎn)化率0.5，
                            CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    1                     0
變化量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡量（mol）      0.5                 1                      0.5
平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{0.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=4，
若達(dá)到平衡狀態(tài)B 時轉(zhuǎn)化率為0.8，結(jié)合平衡三行計算列式計算，
                          CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol）       1                    2                      0
變化量（mol）      0.8                 1.6                    0.8
平衡量（mol）      0.2               0.4                     0.8
B點溫度不變平衡常數(shù)不變，K=$\frac{\frac{0.8}{V（B）}}{\frac{0.2}{V（B）}×（\frac{0.4}{V（B）}）^{2}}$=4
則容器的體積V（B）=0.4
故答案為：4，0.4；     
③A．反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向進(jìn)行，甲醇產(chǎn)率減小，故A錯誤；                  
B．從平衡體系中及時分離CH₃OH，平衡正向進(jìn)行，甲醇產(chǎn)率增大，故B正確；
C．充入He總壓增大分壓不變，平衡不變，甲醇產(chǎn)率不變，故C錯誤；                  
D．體積可變的容器中再充入0.5mol CO和1mol H₂ ，相當(dāng)于壓強(qiáng)增大，體積增大，最后得到相同的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)化率不變，甲醇產(chǎn)率不變，故D錯誤；
故答案為：B；
（3）V（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08mol/（L•min），
根據(jù)方程式得V（CH₃OH）：V（H₂）=1：2，
所以V（H₂）=2×0.08mol/（L•min）=0.16mol/（L•min）；
                                    2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）            3                 1                  0
變化量（mol/L）            1.6              0.8                0.8                                                       
平衡量（mol/L）           1.4               0.2              0.8
此時CO的平衡濃度為 0.2mol/L，
改變溫度，假設(shè)在20分鐘時達(dá)到新平衡，氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，則氫氣轉(zhuǎn)化的濃度為△C=$\frac{6mol}{2L}$×33.3%=1mol/L，
                              2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始濃度（1mol/L） 3             1                    0
轉(zhuǎn)化濃度（1mol/L） 1              0.5               0.5
平衡濃度（1mol/L） 2              0.5               0.5
CO平衡濃度為0.5mol/L，15min時CO濃度為0.2mol/L．升溫平衡逆向進(jìn)行，一氧化碳物質(zhì)的量濃度增大，據(jù)此畫出變化曲線為：，
故答案為：0.16mol•L^-1•min^-1；

點評 本題考考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算應(yīng)用，平衡常數(shù)的計算及應(yīng)用，影響平衡的因素分析判斷，題目涉及的知識點較多，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等．