Question

【題目】Ⅰ.為減少碳排放，科學(xué)家提出利用CO2和H2反應(yīng)合成甲醇，其反應(yīng)原理為CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)。

(1)上述反應(yīng)常用CuO和ZnO的混合物作催化劑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，催化劑中CuO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH的產(chǎn)率有明顯影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示：

根據(jù)數(shù)據(jù)表判斷，催化劑中CuO的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為________。

(2)已知：①CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH1＝－41 kJ·mol－1；

②CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH2＝－91 kJ·mol－1。

寫出由CO2和H2制備甲醇蒸氣并產(chǎn)生水蒸氣的熱化學(xué)方程式：______________________________。

(3)甲醇是清潔能源。某甲醇燃料電池的電解質(zhì)為稀硫酸，其能量密度為5.93 kW·h·kg－1。該電池的負(fù)極反應(yīng)式為______________。若甲醇的燃燒熱為ΔH＝－726.5 kJ·mol－1，該電池的能量利用率為________(結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后1位數(shù)字)。(已知1 kW·h＝3.6×106 J)

Ⅱ.利用CO和H2在催化劑的作用下合成甲醇，發(fā)生如下反應(yīng)：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。在體積一定的密閉容器中按物質(zhì)的量之比1∶2充入CO和H2，測(cè)得平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化情況如圖1所示。現(xiàn)有兩個(gè)體積相同的恒容密閉容器甲和乙，向甲中加入1 mol CO和2 mol H2，向乙中加入2 mol CO和4 mol H2，測(cè)得不同溫度下CO的平衡轉(zhuǎn)化率如圖2所示。

(1)該反應(yīng)的ΔH________(填“＞”、“＜”或“＝”，后同)0，p1________p2。

(2)達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)速率：A點(diǎn)________B點(diǎn)。平衡常數(shù)：C點(diǎn)________D點(diǎn)。

(3)在C點(diǎn)時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為________。

(4)L、M兩點(diǎn)容器內(nèi)壓強(qiáng)：p(M)________2p(L)。

Answer 1

【答案】Ⅰ.(1)50%

(2)CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1

(3)CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋ 94.0%

Ⅱ.(1)＜ ＞ (2)＜ ＝ (3)75% (4)＞

【解析】Ⅰ.(1)根據(jù)數(shù)據(jù)表知，氧化銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH的產(chǎn)率最高。(2)根據(jù)蓋斯定律知，②－①得CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1。(3)甲醇在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳和氫離子。取1 mol甲醇計(jì)算：放出總熱量Q為726.5 kJ，電池放電能量E＝5.93 kW·h·kg－1×0.032 kg×3 600 kJ·(kW·h)－1≈683.1 kJ，該電池的能量利用率為×100%≈94.0%。

Ⅱ.(1)從圖示可以看出，隨溫度升高，平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)不斷減小，說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，ΔH＜0；因?yàn)樵摲磻?yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，圖示中從C點(diǎn)到B點(diǎn)，平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)增大，反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，所以p1＞p2。(2)A點(diǎn)與B點(diǎn)相比較，B點(diǎn)壓強(qiáng)大、溫度高，反應(yīng)速率快；C點(diǎn)與D點(diǎn)相比較，雖然壓強(qiáng)不同，但溫度相同，所以平衡常數(shù)相同。(3)假設(shè)CO的轉(zhuǎn)化率為x，CO、H2的起始物質(zhì)的量分別為1 mol、2 mol，

CO(g) ＋ 2H2(g) CH3OH(g)

起始物質(zhì)的量： 1 mol 2 mol 0

變化物質(zhì)的量： x mol 2x mol x mol

平衡物質(zhì)的量： (1－x)mol (2－2x)mol x mol

根據(jù)題意：x mol÷[(1－x)mol＋(2－2x)mol＋x mol]×100%＝50%，x＝0.75。

(4)如果不考慮平衡移動(dòng)，容器乙中氣體總物質(zhì)的量是容器甲中氣體總物質(zhì)的量的兩倍，p(M)＝2p(L)，但現(xiàn)在容器乙溫度高，反應(yīng)又是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，氣體的物質(zhì)的量增加，所以p(M)＞2p(L)。