Question

【題目】甲醇是重要的化工原料。利用合成氣(主要成分為(CO，CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇，可能發(fā)生的反應(yīng)如下：

i：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1

ii：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2

iii：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH3

回答下列問題：

(1)已知反應(yīng)2中相關(guān)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
E/KJ·mol-1	436	803	1076	465

由此計(jì)算ΔH2=___kJ·mol-1。已知ΔH1=-63kJ·mol-1，則ΔH3=___kJ·mol-1。

(2)對(duì)于反應(yīng)1，不同溫度對(duì)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率及催化劑的效率影響如圖所示，請(qǐng)回答下列問題：

①下列說法不正確的是（__________）

A.M點(diǎn)時(shí)平衡常數(shù)比N點(diǎn)時(shí)平衡常數(shù)大

B.溫度低于250℃時(shí)，隨溫度升高甲醇的平衡產(chǎn)率降低

C.其他條件不變，若不使用催化劑，則250℃時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率可能位于M1

D.實(shí)際反應(yīng)應(yīng)盡可能在較低的溫度下進(jìn)行，以提高CO2的轉(zhuǎn)化率

②若在剛性容器中充入3molH2和1molCO2發(fā)生反應(yīng)1，起始?jí)簭?qiáng)為4MPa，則圖中M點(diǎn)CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為___，250℃時(shí)反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=___(MPa)-2(保留三位有效數(shù)字)；

③若要進(jìn)一步提高甲醇產(chǎn)率，可采取的措施有___(寫兩條即可)

(3)相同條件下，一定比例CO/CO2/H2混合氣體甲醇生成速率大于CO2/H2混合氣體甲醇生成速率，結(jié)合反應(yīng)1、2分析原因：___。

(4)以二氧化鈦表面覆蓋Cu2A12O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉(zhuǎn)化成乙酸，CO2(g)+CH4(g)CH3COOH(g)，在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖所示：

250~300℃時(shí)，乙酸的生成速率降低的主要原因是___。

300~400℃時(shí)，乙酸的生成速率升高的主要原因是___。

Answer 1

【答案】+36 +99 CD 16.7%或 0.148 增大壓強(qiáng)、及時(shí)移走生成物、降低溫度、增大氫氣投料比、換更優(yōu)催化劑 CO的存在促使反應(yīng)ⅱ平衡逆向移動(dòng)；水蒸氣的量減少，促使反應(yīng)ⅰ平衡正向移動(dòng) 催化劑的催化效率降低 溫度升高對(duì)反應(yīng)速率影響為主要因素

【解析】

(1)根據(jù)焓變=反應(yīng)物鍵能之和-生成物鍵能之和，可得CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2；根據(jù)蓋斯定律可得CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)的△H3；

(2) ①反應(yīng)焓變小于零為放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，催化劑可以加快反應(yīng)的速率，但不影響平衡移動(dòng)；化工生產(chǎn)時(shí)，既要考慮反應(yīng)速率又要考慮轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率的雙重影響，以此來選擇化工生產(chǎn)的適宜條件；

②初始投料為3molH2和1molCO2，M點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率為50%，恒容容器中氣體的體積分?jǐn)?shù)即物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，則列三段式進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；恒溫恒容條件下，氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，初始?xì)怏w的總物質(zhì)的量為4mol，壓強(qiáng)為4MPa，則平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量為3mol，壓強(qiáng)為3MPa，據(jù)平衡時(shí)各物質(zhì)的分壓帶入平衡常數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算；

③該反應(yīng)氣體減少的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)、及時(shí)移走生成物使平衡正向移動(dòng)；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度、增大氫氣投料比、換更優(yōu)催化劑都可以提高甲醇的產(chǎn)率；

(3)CO的存在促使反應(yīng)ⅱ平衡逆向移動(dòng)；水蒸氣的量減少，促使反應(yīng)ⅰ平衡正向移動(dòng)，所以一定比例CO/CO2/H2混合氣體甲醇生成速率大于CO2/H2混合氣體甲醇生成速率；

(4)250~300℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以乙酸的生成速率降低；300~400℃時(shí)，溫度升高對(duì)反應(yīng)速率影響為主要因素，所以乙酸的生成速率升高。

(1)根據(jù)焓變=反應(yīng)物鍵能之和-生成物鍵能之和，可得CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=803×2kJ/mol+436kJ/mol-1076kJ/mol-2×465kJ/mol=+36kJ/mol；

已知①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-63kJmol-1，②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=+36kJ/mol根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)②-反應(yīng)①得到③CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)的△H3=+99kJ/mol；

(2)①A．反應(yīng)焓變小于零為放熱反應(yīng)，溫度越高平衡常數(shù)越小，所以M點(diǎn)平衡常數(shù)大于N點(diǎn)平衡常數(shù)，故A正確；

B．據(jù)圖可知溫度低于250℃時(shí)，隨溫度升高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率下降，即平衡逆向移動(dòng)，所以甲醇的平衡產(chǎn)率降低，故B正確；

C．溫度相同平衡常數(shù)不變，不改變投料的情況下，即使不使用催化劑，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率也位于M點(diǎn)，故C錯(cuò)誤；

D．雖然該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度可以增大CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，但溫度過低反應(yīng)速率會(huì)很慢，單位時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率降低，所以不能在較低溫度下進(jìn)行，故D錯(cuò)誤；

綜上所述答案為CD；

②初始投料為3molH2和1molCO2，M點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率為50%，則列三段式有：

恒容容器中氣體的體積分?jǐn)?shù)即物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，所以CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為=16.7%或；恒溫恒容條件下，氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，初始?xì)怏w的總物質(zhì)的量為4mol，壓強(qiáng)為4MPa，則平衡時(shí)p(CO2)=p(CH3OH) =p(H2O)=0.5MPa，p(H2)=1.5MPa，則Kp==0.148；

③該反應(yīng)氣體減少的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)可以使平衡正向移動(dòng)提高甲醇的產(chǎn)率；及時(shí)移走生成物使平衡正向移動(dòng)也可以增大甲醇的產(chǎn)率；該反應(yīng)焓變小于零為放熱反應(yīng)，降低溫度可以使平衡正向移動(dòng)從而提高甲醇的產(chǎn)率；增大氫氣投料比、換更優(yōu)催化劑都可以提高甲醇的產(chǎn)率；

(3)CO的存在促使反應(yīng)ⅱ平衡逆向移動(dòng)；水蒸氣的量減少，促使反應(yīng)ⅰ平衡正向移動(dòng)，所以一定比例CO/CO2/H2混合氣體甲醇生成速率大于CO2/H2混合氣體甲醇生成速率；

(4)250~300℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以乙酸的生成速率降低；300~400℃時(shí)，溫度升高對(duì)反應(yīng)速率影響為主要因素，所以乙酸的生成速率升高。