Question

18．甲醇是重要的化工原料，又可作為燃料．以CO₂和H₂為原料生產(chǎn)甲醇時，同時發(fā)生下列兩個反應(yīng)，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：
I．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-58.0kJ•mol^-1
II．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.0kJ•mol^-1
（1）上述兩個反應(yīng)中，在熱力學(xué)上趨勢較大的是I（填反應(yīng)代號）．
（2）圖1中表示反應(yīng)II平衡常數(shù)K隨溫度變化關(guān)系的曲線為b（填曲線標(biāo)記字母），其判斷依據(jù)是反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向右移動，平衡常數(shù)增大．

（3）CO和H₂反應(yīng)也可生成氣態(tài)甲醇．相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學(xué)鍵	H-H	C-O	C≡O(shè)	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1076	465	x

①則x=413．
②CO和H₂生成甲醇的反應(yīng)，體系總壓強為P MPa恒定，在溫度T時，起始$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$=$\frac{1}{2}$，若到達(dá)平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則平衡常數(shù)K_p=$\frac{4}{{p}^{2}}$（MPa）^-2（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）．
（4）某實驗室控制CO₂和H₂初始投料比為1：2.2．在相同壓強下，發(fā)生I、II兩個反應(yīng)，經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如下實驗數(shù)據(jù)：

T（K）	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率（%）	甲醇選擇性（%）
543	Cat.1	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7

【備注】Cat.1：Cu/ZnO納米棒；Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉(zhuǎn)化的CO₂中生成甲醇的百分比．
①有利于提高CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有D．
A．使用催化劑Cat.1          B．增大CO₂和H₂的初始投料比
C．使用催化劑Cat.2          D．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度
②在圖2中分別畫出反應(yīng)I在無催化劑、有 Cat.1、有Cat.2 三種情況下能量與反應(yīng)過程變化關(guān)系的曲線圖．

Answer 1

分析 （1）I．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-58.0kJ•mol^-1，反應(yīng)是放熱反應(yīng)；II．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.0kJ•mol^-1是吸熱反應(yīng)；
（2）溫度升高平衡向吸熱反應(yīng)方向進行，反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向進行，平衡常數(shù)增大；
（3）①結(jié)合熱化學(xué)方程式計算得到一氧化碳和氫氣反應(yīng)生成甲醇的熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能；
②在溫度T時，起始$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$=$\frac{1}{2}$，若到達(dá)平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合三行計算得到平衡物質(zhì)的量，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；
（4）①由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-8 可知提高CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡向正向移動，可降低溫度，增大濃度；
②加入催化劑，可降低反應(yīng)的活化能，催化能力越強，活化能越低，但反應(yīng)熱不變．

解答 解：（1）I．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-58.0kJ•mol^-1，反應(yīng)是放熱反應(yīng)；II．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.0kJ•mol^-1是吸熱反應(yīng)，反應(yīng)Ⅰ在反應(yīng)過程中放出熱量，反應(yīng)體系溫度升高反應(yīng)速率增大，反應(yīng)Ⅱ是吸熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中溫度降低，溫度降低反應(yīng)速率減慢，所以上述兩個反應(yīng)中，在熱力學(xué)上趨勢較大的是Ⅰ，
故答案為：I；
（2）II．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.0kJ•mol^-1是吸熱反應(yīng)，升溫平衡正向進行，平衡常數(shù)增大，圖1中表示反應(yīng)II平衡常數(shù)K隨溫度變化關(guān)系的曲線為b，
故答案為：b；反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向右移動，平衡常數(shù)增大；
（3）①I．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-58.0kJ•mol^-1
II．CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.0kJ•mol^-1
蓋斯定律計算得到：Ⅰ-Ⅱ得到CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-99KJ/mol，
反應(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能=（1076+2×436-3×x-343-465）KJ/mol=-99KJ/mol，
x=431KJ/mol，
故答案為：413；
  ②在溫度T時，起始$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$=$\frac{1}{2}$，設(shè)物質(zhì)的量為1mol和2mol，若到達(dá)平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，
                  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
氣體總物質(zhì)的量=0.5mol+1mol+0.5mol=2mol
Kp=$\frac{\frac{0.5}{2}×pMp}{\frac{0.5}{2}×pMp×（\frac{1}{2}×pMp）^{2}}$=$\frac{4}{{p}^{2}}$（MPa）^-2 ，
故答案為：$\frac{4}{{p}^{2}}$（MPa）^-2 ；
（4）①A．使用催化劑Cat.1，平衡不移動，不能提高轉(zhuǎn)化率，故A錯誤；
B、增大 CO₂和H₂的初始投料比，可增大氫氣的轉(zhuǎn)化率，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，故B錯誤；
C、使用催化劑Cat.2，不能提高轉(zhuǎn)化率，故C錯誤；
D、投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，衡正向移動，可增大轉(zhuǎn)化率，故D正確；
故答案為：D；
②從表中數(shù)據(jù)分析，在催化劑Cat.2的作用下，甲醇的選擇性更大，說明催化劑Cat.2對反應(yīng)Ⅰ催化效果更好，催化劑能降低反應(yīng)的活化能，說明使用催化劑Cat.2的反應(yīng)過程中活化能更低，故圖為，
故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)平衡的計算，平衡移動以及熱化學(xué)方程式、電化學(xué)等知識，為高考常見題型，側(cè)重于學(xué)生的分析能力、計算能力的考查，注意把握蓋斯定律的應(yīng)用，電解池的工作原理等知識，題目難度中等．