Question

15．在工業(yè)上常用CO和H₂合成甲醇，反應方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=akJ/mol
已知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-283.0kJ/mol
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-241.8kJ/mol
③CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-192.2kJ/mol
答下列問題：
（l）a=-574.4
（2）能說明反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）已達平衡狀態(tài)的是CD（填字母）．
A．單位時間內生成1mol CH₃OH（g）的同時消耗了1mol CO（g）
B．在恒溫恒容的容器中，混合氣體的密度保持不變
C．在絕熱恒容的容器中，反應的平衡常數(shù)不再變化
D．在恒溫恒壓的容器中，氣體的平均摩爾質量不再變化
（3）在T₁℃時，體積為2L的恒容容器中充人物質的量之

和為3mol的H₂和CO，反應達到平衡時CH₃OH的體積分數(shù)（V%）與$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的關系如圖1所示．
①當起始$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2，經(jīng)過5min達到平衡，CO的轉化率為0.6，則0～5min內平均反應速率v（H₂）=0.12mol/（L．min）．若此時再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，達新平衡時H₂的轉化率將增大（選填“增大”、“減小”或“不變”）；
②當$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3.5時，達到平衡狀態(tài)后，CH₃ OH的體積分數(shù)可能是圖象中的F點（選填“D”、“E”或“F”）
（4）CO和H₂來自于天然氣．已知CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO（g）+2H₂ （g）．在密閉容器中有濃度均為0.1mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下反應，測得CH₄的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如圖2，則壓強p_1小于p₂（選填“大于”或“小于”）；當壓強為p₂時，在y點：v（正）大于v（逆）（選填“大于”、“小于”或“等于”）．若p₂=3MPa，則T℃時該反應的平衡常數(shù)K_p=4MPa²（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數(shù)）．
（5）含有甲醇的廢水會造成環(huán)境污染，可通入ClO₂氣體將其氧化為CO₂．寫出相關反應的離子方程式6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，根據(jù)蓋斯定律，①+2×②-③可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則△H=△H₁+2△H₂-△H₃；
（2）可逆反應到達平衡是，同種物質的正、逆速率相等（不同物質的正、逆速率之比等于期末化學計量數(shù)之比），各組分的含量、濃度等保持不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行由變化到不再變化說明到達平衡；
（3）①由CO與氫氣總物質的量、$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2可以計算CO與氫氣各自的物質的量，利用三段式計算平衡時各組分物質的量、各組分物質的量變化量，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
先計算該溫度下平衡常數(shù)K，再計算濃度商Qc，與平衡常數(shù)K相比判斷反應進行分析，可以確定氫氣轉化率變化；
②混合比例等于化學計量數(shù)之比時，平衡時生成物的含量最大；
（4）正反應為氣體物質的量增大的反應，較低壓強有利于反應正向進行，平衡時甲烷的轉化率越大；
當壓強為p₂時，在y點甲烷轉化率小于平衡時（x點）的轉化率，反應未到達平衡，應正向進行到達平衡；
若p₂=3MPa，根據(jù)甲烷轉化率計算平衡時各組分的濃度，可以計算各組分的分壓，代入平衡常數(shù)K_p=$\frac{{p}^{2}（CO）×{p}^{2}（{H}_{2}）}{p（C{O}_{2}）×p（C{H}_{4}）}$計算；
（5）ClO₂氣體將甲醇氧化為CO₂，自身被還原為Cl^-，結合電子轉移守恒、電荷守恒與原子守恒配平．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H₁=-283.0kJ/mol
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-241.8kJ/mol
③CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₃=-192.2kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，①+2×②-③可得：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則△H=△H₁+2△H₂-△H₃=（-283.0kJ/mol）+2×（-241.8kJ/mol）-（-192.2kJ/mol）=-574.4kJ/mol，
故答案為：-574.4；
（2）A．單位時間內生成1mol CH₃OH（g）的同時消耗了1mol CO（g），均表示正反應速率，反應始終按該比例關系進行，單位時間內生成1mol CH₃OH（g）的同時生成了1mol CO（g）可以說明到達平衡，故A錯誤；
B．混合氣體總質量不變，容器容積恒定，容器內混合氣體的密度始終保持不變，故B錯誤；
C．在絕熱恒容的容器中，隨反應進行溫度發(fā)生變化，平衡常數(shù)也隨之發(fā)生變化，當反應的平衡常數(shù)不再變化時說明反應到達平衡，故C正確；
D．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體總物質的量增大，則氣體的平均摩爾質量減小，當氣體的平均摩爾質量不再變化時，說明反應到達平衡，故D正確，
故選：CD；
（3）①H₂和CO總共為3mol，且起始$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2，可知H₂為2mol、CO為1mol，5min達到平衡時CO的轉化率為0.6，則：
                   CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：1              2               0     
變化（mol）：0.6           1.2            0.6
平衡（mol）：0.4           0.8            0.6
容器的容積為2L，則v（H₂）=$\frac{\frac{1.2mol}{2L}}{5min}$=0.12mol/（L．min），
該溫度下平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$，此時再向容器中加入CO（g）和CH₃OH（g）各0.4mol，此時濃度商Qc=$\frac{\frac{0.6+0.4}{2}}{\frac{0.4+0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$＜K=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$，反應向正反應進行，達新平衡時H₂的轉化率將增大，
故答案為：0.12mol/（L．min）；增大；
②混合比例等于化學計量數(shù)之比時，平衡時生成物的含量最大，故當$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3.5時，達到平衡狀態(tài)后，CH₃ OH的體積分數(shù)小于C點，故選F，
故答案為：F；
（4）正反應為氣體物質的量增大的反應，較低壓強有利于反應正向進行，壓強越大平衡時甲烷的轉化率越小，則壓強p₁ ＜p₂；
當壓強為p₂時，在y點甲烷轉化率小于平衡時（x點）的轉化率，反應未到達平衡，應正向進行到達平衡，則在y點：v（正）＞v（逆）
若p₂=3MPa，x甲烷轉化率為50%，則：
                            CO₂（g）+CH₄ （g）?2CO（g）+2H₂ （g）
起始濃度（mol/L）：0.1           0.1              0              0
變化濃度（mol/L）：0.05          0.05            0.1           0.1
平衡濃度（mol/L）：0.05          0.05            0.1           0.1
平衡常數(shù)K_p=$\frac{{p}^{2}（CO）×{p}^{2}（{H}_{2}）}{p（C{O}_{2}）×p（C{H}_{4}）}$=$\frac{（\frac{0.1}{0.3}×3）^{2}×（\frac{0.1}{0.3}×3）^{2}}{\frac{0.05}{0.3}×3×\frac{0.05}{0.3}×3}$（MPa）²=4（MPa）²，
故答案為：小于；大于；4；
（5）ClO₂氣體將甲醇氧化為CO₂，自身被還原為Cl^-，結合電子轉移守恒、電荷守恒與原子守恒配平離子方程式為：6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺，
故答案為：6ClO₂+5CH₃OH=5CO₂+6Cl^-+7H₂O+6H⁺．

點評 本題綜合性較大，涉及反應熱計算、化學平衡狀態(tài)判斷、化學平衡圖象與化學平衡有關計算、平衡常數(shù)、氧化還原反應等，屬于拼合型題目，需要學生具備扎實的基礎與靈活運用能力．