Question

甲醇是一种可再生能源，由CO₂制备甲醇的过程可能涉及的反应如下：

反应Ⅰ：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)    △H₁=－49.58 kJ•mol^－1

反应Ⅱ：CO₂(g)+H₂(g)CO(g)+H₂O(g)    △H₂

反应Ⅲ：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)   △H₃=－90.77 kJ•mol^－1

回答下列问题：

（1）反应Ⅱ的△H₂=          ，若反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，则K₂=         （用K₁、K₃表示）。

（2）反应Ⅲ自发进行条件是           （填“较低温度”、“较高温度”或“任何温度”）。

（3）在一定条件下2 L恒容密闭容器中充入3 mol H₂和1.5 mol CO₂，仅发生反应Ⅰ，实验测得不同反应温度与体系中CO₂的平衡转化率的关系，如下表所示。

温度（℃）	500	T
CO2的平衡转化率	60℅	40℅

①T      500℃(填“高于”或“低于”)。

②温度为500℃时，该反应10 min时达到平衡：

a．用H₂表示该反应的速率为                    ；

b．该温度下，反应I的平衡常数K=              。

（4）某研究小组将一定量的H₂和CO₂充入恒容密闭容器中并加入合适的催化剂（发生反应I、Ⅱ、Ⅲ），测得不同温度下体系达到平衡时CO₂的转化率（a）及CH₃OH的产率（b），如图所示。

①该反应达到平衡后，为同时提高反应速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是       （选填编号）。

A．升高温度      B．缩小容器体积     C．分离出甲醇     D．增加CO₂的浓度

②据图可知当温度高于260℃后，CO的浓度随着温度的升高而         （填“增大”、“减小”、“不变”或“无法判断”）。

Answer

（1）+41.19 kJ•mol－1（2分）K1/K3（2分）（2）较低温度（1分）

（3）高于（1分） 0.135 mol·L－1·min－1 200 L2/ mol2

（4）BD（2分，少选扣1分，错选或多选不给分） 增大（2分）

【解析】

试题分析：（1）反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－49.58 kJ•mol－1

反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反应Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=－90.77 kJ•mol－1

根据盖斯定律，反应Ⅱ=反应Ⅰ-反应Ⅲ，故：

△H2=△H1-△H3=49.58kJ•mol-1）-（-90.77kJ•mol-1）=+41.19 kJ•mol-1；

若反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ平衡常数分别为K1、K2、K3，则K2=K1/K3。

（2）反应Ⅲ为熵减的反应，△S＜0，反应自发进行，则△G=△H-T△S＜0，故要自发进行需要在较低温度下进行；

（3）①反应I是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向进行，反应物转化率降低，则T高于500℃。

② CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始浓度（mol/L） 0.75 1.5 0 0

转化浓度（mol/L） 0.45 1.35 0.45 0.45

平衡浓度（mol/L） 0.3 0.15 0.45 0.45

a．用H2表示该反应的速率为1.35mol/L÷10min＝0.135 mol·L－1·min－1；

b．该温度下，反应I的平衡常数K=＝200 L2/ mol2。

（4）①A．升高温度，加快反应速率，正反应为放热反应，平衡逆向移动，甲醇生产量减小，A错误；B．缩小容器体积，增大压强，加快反应速率，平衡正向移动，甲醇生产量增大，B正确；C．分离出甲醇，平衡正向移动，甲醇生产量增大，但反应速率减慢，C错误；D．增加CO2的浓度，可以加快反应速率且使得平衡正向移动，甲醇生产量增大，D正确，答案选BD；

②反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，所以当温度高于260℃后，CO的浓度一定增大。

考点：考查化学平衡计算、盖斯定律的应用、化学反应速率的计算、化学平衡移动的影响因素等