Question

【題目】2017年5月18日，中國國土資源部地質(zhì)調(diào)查局宣布，我國在南海進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功，成為全球第一個(gè)海域試采可燃冰成功的國家，可燃冰即天然氣水合物，甲烷含量占80%至99.9%。化工生產(chǎn)中用甲烷和水蒸氣反應(yīng)得到以CO和H2為主的混合氣體，這種混合氣體可用于生產(chǎn)甲醇或合成氨，回答下列問題:

(1)甲醇是一種用途廣泛的化工原料，工業(yè)上常用下列兩種反應(yīng)制備甲醇:

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g) △H1 =-90kJ·mol-1 K1

CO2(g)+3H2(g)= CH3OH(g)+H2O(l) △H2 K2

己知: CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2(g) △H3 =-41.1kJ·mol-1 K3

H2O(l)=H2O(g) △H4 =+44.0kJ·mol-1 K4

則K2=_______ (用含K1、K3、K4的代數(shù)式表示)

(2)在一恒溫恒容密閉容器中充入1molCO2和3molH2模擬工業(yè)合成甲醇的反應(yīng):CO2(g)十3H2(g) CH3OH(g)十H2O(g)

①下列能說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是______________________。

A.混合氣體平均相對分子質(zhì)量不變 B.混合氣體密度不變

C.容器內(nèi)壓強(qiáng)恒定不變 D.反應(yīng)速率滿足以下關(guān)系:V正(CO2)=3V逆(H2)

E.CO2、H2、CH3OH、H2O物質(zhì)的量濃度之比為1:3:1:1

F.單位時(shí)間內(nèi)斷裂3NAH-H鍵的同時(shí)形成2molH-O鍵

②模擬過程中測得CO2和CH3OH(g)濃度隨時(shí)間變化如圖所示，若此時(shí)容器內(nèi)壓強(qiáng)為P，則用平衡分壓代替平衡濃度表示的化學(xué)平衡常數(shù)KP為_____________(用含P的代數(shù)式表示，數(shù)值保留兩位小數(shù))，若此時(shí)再向容器內(nèi)充入0.25molCO2和0.25molCH3OH的混合氣體，則平衡______(填“正向“逆向“不”)移動(dòng)。(已知:氣體分壓=氣體總壓×體積分?jǐn)?shù))

Answer 1

【答案】 K1/K3K4 A、C 33.33/P2 正向

【解析】(1)根據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式可知K1=c(CH3OH)/c(CO)c2(H2)；K2= c(CH3OH )/c(CO2)c3(H2)； K3= c(CO2)c(H2)/c(CO)c(H2O)； K4= c(H2O)；通過以上整理可得：K2= K1/K4K3；正確答案：K1/K3K4。

(2) 該反應(yīng)反應(yīng)前后氣體總質(zhì)量不變，氣體總量為減小的可逆反應(yīng)，所以當(dāng)混合氣體平均相對分子質(zhì)量不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；A正確；該反應(yīng)反應(yīng)前后氣體總質(zhì)量不變，恒容密閉容器中，混合氣體密度恒為定值，不能判定反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)；B錯(cuò)誤；該反應(yīng)為氣體總量減小的反應(yīng)，其他條件下不變，壓強(qiáng)和氣體的物質(zhì)的量成正比，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)恒定不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；C正確；速率之比和系數(shù)成正比，3V(CO2)=V(H2)，滿足3V正(CO2)=V逆(H2)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，D錯(cuò)誤；CO2、H2、CH3OH、H2O物質(zhì)的量濃度之比為1:3:1:1為反應(yīng)的一種特殊情況，不能判定反應(yīng)是否達(dá)平衡狀態(tài)，E錯(cuò)誤；單位時(shí)間內(nèi)斷裂3NAH-H鍵，是正向速率，同時(shí)形成2molH-O鍵，也是正向速率，不能判定反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；F錯(cuò)誤；正確選項(xiàng)A、C 。

②根據(jù)圖像可知：容器的體積為1L，根據(jù)方程式進(jìn)行如下計(jì)算：

CO2(g) 十 3H2(g) CH3OH(g) 十 H2O(g)

起始量 1 3 0 0

變化量 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡量 0.25 0.75 0.75 0.75

平衡分壓 0.1P 0.3 P 0.3 P 0.3 P

所以化學(xué)平衡常數(shù)KP為P(CH3OH)×P(H2O)/P(CO2)×P3(H2) ；P(CH3OH)×P(H2O)=0.3 P×0.3 P=0.09 P2 ，P(CO2)×P3(H2)=0.1 P×（0.3 P）3=0.0027 P4；KP為0.09 P2/0.0027 P4=33.33/P2；若此時(shí)再向容器內(nèi)充入0.25molCO2和0.25molCH3OH的混合氣體，則濃度商Qp= P(CH3OH)×P(H2O)/ P(CO2)×P3(H2)；這時(shí)，各物質(zhì)分壓分別為：P(CH3OH)=1/3 P, P(H2O)=0.25 P, P(CO2)=1/6 P, P(H2)=0.25 P；把數(shù)據(jù)帶入Qp=32/p2<33.33/P2=KP,所以平衡正向移動(dòng)；正確答案：33.33/P2 ；正向。