Question

发展新能源、改善空气质量等一直是化学研究的热点。回答下列问题：

(1)甲醇是可再生的清洁能源，可利用CO₂与H₂合成甲醇：CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)。该反应历程如图所示。

上述合成甲醇的反应的有机副产物有__________；由于该反应速率较慢，需要加入催化剂使反应速率加快，主要降低下列变化中________(填字母)的能量变化。

A．^*CO+^*OH→^*CO+^*H₂O             B．^*CO→^*OCH  

C．^*OCH₂→^*OCH₃ D．*OCH₃→^*CH₃OH

(2)焦炭与水蒸气在恒容密闭容器中反应，可制合成气，主要反应(I)、(II)的lg K_P(K_P为以分压表示的平衡常数)与T的关系如图所示。

①反应(I)的△H______0(填“＞”、“＝”或“＜”)；

②在容积为10 L密闭容器中充入1 mol CO、1 mol H₂O只发生反应(II)，反应5分钟到达图中d点，请计算0～5 min时，CO平均反应速率________；此时CO的转化率为________；已知：反应速率v=v_正-v_逆=k_正·x(CO)·x(H₂O)-k_逆·x(CO₂)·x(H₂)，k_正、k_逆分别为正、逆反应速率常数，x为物质的量分数，计算e处的=______；

③c点时，若反应容器中CO浓度为0.1 mol/L，则CO₂浓度为________(填数值)。

Answer

CH2O A ＞ 0.01 mol/(L·min) 50% 100 0.01 mol/L

【解析】

(1)由图可知，副产物有CO和CH2O，反应的能垒越低，反应越容易进行，副产物的量越多；反应的能垒越大，反应的反应速率越慢；

(2)①该反应正向是气体体积增大的反应，根据温度与化学平衡常数的对数关系分析温度与平衡移动的关系；

②根据图象确定Kp，利用物质加入量及转化量关系，确定平衡时各种物质的浓度，再根据化学反应速率和物质转化率的含义进行计算；根据e点lgKp计算CO转化率，得到各种气体的物质的量分数，结合该温度下的平衡常数，带入速率公式可得速率的比值；

③c点是两个反应的交点，二者的平衡常数相等，据此解答。

(1)由图可知生成副产物主要有CO和CH2O，其中的有机副产物是CH2O；由图可知生成甲醇的过程中，能垒最高(为1.64 eV)的变化为*CO+*OH→*CO+*H2O，该反应速率最慢，决定整个反应的快慢，所以要想提高整个反应速率，应该降低该反应的能垒，故合理选项是A；

(2)①根据图示可知：温度升高，lgKp增大，说明升高温度，平衡正向移动。根据平衡移动原理：升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动，因此该反应的正反应为吸热反应，故△H＞0；

②在容积为10 L密闭容器中充入1 mol CO、1 mol H2O只发生反应(II) CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，反应5分钟到达图中d点，此时lgKp=0，则Kp=1，根据化学反应速率与物质反应关系，由于加入1 mol CO、1 mol H2O，反应是按1：1物质的量关系进行，剩余的CO、H2O也是1：1物质的量关系，反应产生的CO2与H2的物质的量相等，则每种气体的物质的量及浓度都相同，此时n(CO)=0.5 mol，c(CO)=c(H2O)=c(H2)=c(CO2)= =0.05 mol/L，则0～5 min时，CO平均反应速率v(CO)= =0.01mol/(L·min)；此时CO的转化率为×100%=50%；由于反应速率v=v正-v逆=k正·x(CO)·x(H2O)-k逆·x(CO2)·x(H2)，反应达到平衡时，v正=v逆，所以k正·x(CO)·x(H2O)=k逆·x(CO2)·x(H2)，则=K，e点时lgKp=-2，Kp=10-2，由于反应开始时c(CO)=c(H2O)=0.1 mol/L，c(H2)=c(CO2)=0，假设反应产生CO2、H2的物质的量浓度是a mol/L，则平衡时c(CO)=c(H2O)=(1-a)mol/L，c(H2)=c(CO2)=a mol/L，该反应是反应前后气体体积不变的反应，则Kp==10-2，解得a=0.1× mol/L，c(CO)=c(H2O)=(1-a)mol/L=0.1× mol/L，所以x(CO)=x(H2O)=，x(H2)=x(CO2)=，根据图象可知，此温度下反应达到平衡时，Kp=1，所以e处的=Kp× =100；

③对于反应(I)化学平衡常数K=；对于反应(II)，化学平衡常数K=，由于c点是两个反应的交点，化学平衡常数相等，所以，c(CO2)=c2(CO)，由于此时反应容器中CO浓度为0.1 mol/L，所以c(CO2)=c2(CO)=(0.1)2 mol/L =0.01 mol/L。