Question

I.贮氢合金ThNi₅可催化由CO、H₂合成CH₄等有机化工产品的反应。温度为TK时发生以下反应：2CO(g)＋O₂(g)＝2CO₂(g)  △H＝－566 kJ·mol^-1

2H₂(g)＋O₂(g)＝2H₂O(l)   △H＝－571.6 kJ·mol^-1

CH₄(g)＋2O₂(g)＝CO₂(g)＋2H₂O(l)  △H＝－890 kJ·mol^-1

(1)温度为TK时，催化由CO、H₂合成CH₄反应的热化学方程式为___________。

(2)已知温度为TK时CH₄(g)＋2H₂O(g)＝CO₂(g)＋4H₂(g)  △H＝＋165 kJ·mol^－1的活化能为485.2kJ/mol，则其逆反应的活化能为________kJ/mol。

II.对于反应CO(g)＋H₂O(g)⇌CO₂(g)＋H₂(g)  △H＝－41 kJ·mol^-1进行以下研究：

(3)TK时，向一恒压密闭容器中充入等物质的量的CO(g)和H₂O(g)发生上述反应，测得CO(g)物质的量分数随时间变化如下表所示：

时间/min	0	2	5	6	9	10
x(CO)	0.5	0.25	0.1	0.1	0.05	0.05

若初始投入CO为2 mol，恒压容器容积10 L，用H₂O(g)表示该反应0~5分钟内的速率υ(H₂O(g)=_____，6分钟时，仅改变一种条件破坏了平衡，则改变的外界条件为___________。

(4)已知700K时，在恒容密闭容器中，充入等物质的量的CO和H₂O(g)，发生上述反应，平衡CO体积分数为，则反应的平衡常数K＝______。

(5)在400K、500K时进行上述反应，其中CO和H₂的分压随时间变化关系如右图所示，催化剂为氧化铁。实验初始时体系中的p(H₂O)和p(CO)相等、p(CO₂)和p(H₂)相等。

400K时p(H₂)随时间变化关系的曲线是______，500K时p(CO)随时间变化关系的曲线是_______。(填字母序号)

III.在催化剂的作用下发生反应CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)，是合成甲醇的一种方法。

(6)某温度下，将2 mol CO与5 mol H₂的混合气体充入容积为2 L的密闭容器中，在催化剂的作用下发生反应CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)。经过5 min后，反应达到平衡，此时转移电子6 mol。若保持体积不变，再充入2 mol CO和1.5 mol CH₃OH，此时υ_(正)_______υ_(逆)(填“>”“<”或“＝”)。下列不能说明该反应已达到平衡状态的是___________。

a.CH₃OH的质量不变  b.混合气体的平均相对分子质量不再改变   c.υ_(逆)(CO)＝2υ_(正)(H₂)    d.混合气体的密度不再发生改变

Answer

CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l) ΔH=-250.4kJ·mol-1 320.2 0.032mol·L-1·min-1 降低温度 或者1.32 b d ＞ c d

【解析】

(1)根据盖斯定律计算；

(2)该反应△H>0，为吸热反应，正反应的活化能=△H＋逆反应的活化能；

(3)根据表中数据，反应在5min时达到平衡状态，CO物质的量分数为0.1，利用三段式计算υ（H2O）；6min时，改变条件达到新平衡时CO的物质的量分数减小，平衡正向移动，结合反应的特点分析；

(4)利用方程式及平衡时CO体积分数为，推测H2O的体积分数也为，生成的CO2(g)与H2(g)的量相等，占有的体积分数均为，再计算K；

(5)根据平衡时各物质分压的大小确定代表的物质，再依据温度对化学平衡的影响分析判断；

(6)利用K只与温度有关，计算K与Qc的数据判断正、逆反应速率的大小关系；根据平衡状态的本质和特征分析判断。

(1)温度为TK时，①2CO(g)＋O2(g)＝2CO2(g) △H＝－566 kJ·mol-1

②2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(l) △H＝－571.6 kJ·mol-1

③CH4(g)＋2O2(g)＝CO2(g)＋2H2O(l) △H＝－890 kJ·mol-1

根据盖斯定律，将①÷2+②×-③得，则由CO、H2合成CH4反应的热化学方程式为CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(l) ΔH=-250.4kJ·mol-1；

(2)该反应△H>0，为吸热反应，正反应的活化能=△H＋逆反应的活化能，则逆反应的活化能=485.2kJ/mol-165kJ/mol=320.2 kJ/mol；

(3)根据表中数据，反应在5min时达到平衡状态，CO物质的量的分数为0.1，设消耗的H2O的物质的量为ymol，列出三段式

则=0.1，解得y=1.6，由于该反应反应前后气体分子数不变，平衡时体积仍为10L，则υ（H2O）==0.032mol/（L∙min）；该反应的正反应是气体体积不变的放热反应，6min时，改变条件达到新平衡时CO的物质的量分数减小，平衡正向移动，则改变的外界条件为降低温度；

(4)700K时，在恒容密闭容器中，充入等物质的量的CO和H2O(g)，平衡时CO体积分数为，根据反应的特点，则H2O的体积分数也为，生成的CO2(g)与H2(g)的量相等，占有的体积分数均为（1-×2）÷2=，由于反应中各物质的化学计量数都为1、且反应前后气体分子数不变，则K==1.32；

(5) 实验初始时体系中的p(H2O)和p(CO)相等、p(CO2)和p(H2)相等，由于转化之比等于化学计量数之比，故平衡时p(H2O)和p(CO)相等、p(CO2)和p(H2)相等，该反应的正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，化学平衡常数减小，根据(4)700K时的平衡常数知，400K、500K的平衡常数都大于1.32，故400K、500K达到平衡时p（H2）>p（CO），则a、b代表p（H2），c、d代表p（CO）；升高温度平衡逆向移动，p（H2）减小、p（CO）增大，则400K时p(H2)随时间变化关系的曲线是b，500K时p(CO)随时间变化关系的曲线是d。

(6) 反应CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)中消耗1molCO和2molH2转移4mol电子，5 min后，反应达到平衡，此时转移电子6 mol，则反应的n（H2）=3mol、n（CO）=1.5mol，平衡时，CO、H2、CH3OH的物质的量分别为0.5mol、2mol、1.5mol，CO、H2、CH3OH的物质的量浓度分别为0.25mol/L、1mol/L、0.75mol/L，则K==3；温度未变，再充入2 mol CO和1.5 mol CH3OH，瞬时CO、H2、CH3OH的物质的量浓度分别为1.25mol/L、1mol/L、1.5mol/L，Qc==1.2υ(逆)；

a.CH3OH的质量不变是反应达到平衡状态的特征，a不选；

b.混合气的总质量始终不变，建立平衡过程中气体分子物质的量改变，则混合气体的平均相对分子质量改变，混合气体的平均相对分子质量不再改变能说明反应达到平衡状态，b不选；

c. υ(逆)(CO)＝2υ(正)(H2)  时正、逆反应速率不相等，反应没有达到平衡状态，c选；

d. 混合气的总质量始终不变，恒容容器的体积不变，则混合气体的密度一直未发生改变，混合气体的密度不再发生改变不能说明反应达到平衡状态，d选；

答案为cd。