Question

甲醇是重要的化工原料，利用煤化工中生产的CO、CO₂和H₂可制取甲醇等有机物，发生的反应有：

①CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)    △H₁=－99kJ•mol^-1

②CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)    △H₂

相关物质的化学键键能数据如下：CH₃OH结构式

化学键	C=O(CO2)	H—H	C—O	H—O	C—H
E/(kJ·mol^-1)	803	436	343	465	413

(1)该反应△H₂=____________。

(2)关于反应①下列说法，正确的是____________。

A.该反应在任何温度下都能自发进行

B.升高温度，正反应速率增大，逆反应速率减小

C.使用催化剂，不能提高CO的转化率

D.增大压强，该反应的化学平衡常数不变

(3)在某温度下，将1.0moCO与2.0molH₂充入2L的空钢瓶中，发生反应①，在第5min时达到化学平衡状态，此时甲醇的物质的量分数为0.1。在第10min、20min时分别改变反应条件，甲醇的浓度在不同条件下的变化状况如图所示：

①从反应开始到5min时，生成甲醇的平均速率为____________。

②H₂的平衡转化率α=____________%，化学平衡常数K=____________。

③1min时，υ_正____________υ_逆(填“大于”“小于”或“等于”)

④1mim时υ_正____________4min时υ_逆(填“大于”“小于”或“等于”)

⑤比较甲醇在7～8min、12～13min和25～27min时平均反应速率[平均反应速率分别以υ(7～8)、υ(12～13)、υ(25～27)表示的大小____________。

⑥若将钢瓶换成同容积的绝热容器，重复上述试验，平衡时甲醇的物质的量分数____________0.1(填“>”、“<”或“=”)。

Answer

－63kJ·mol-1 CD 0.025mol·L-1·min-1 25 0.59 大于 大于 υ(12~13)>υ(7~8)＝υ(25~27) <

【解析】

反应热=反应物总键能-生成物总键能；根据三段式解析，计算求得反应速率、转化率和平衡常数；反应正向进行时，正反应速率大于逆反应速率；平衡时平均速率为0；绝热条件，放热反应发生后体系温度升高，考虑平衡移动的方向。

(1)反应热=反应物总键能-生成物总键能，CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，该反应△H2=2×803 kJ·mol-1+3×436 kJ·mol-1-(3×413+343+465)kJ·mol-1-2×465 kJ·mol-1=－63 kJ·mol-1；

(2)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H1=－99 kJ·mol-1

A. △H1=－99 kJ·mol-1，△S<0，△G=△H-T△S，该反应在低温下可能自发进行，故A错误；

B.升高温度，正反应速率增大，逆反应速率也增大，故B错误；

C.使用催化剂，不改变平衡，不能提高CO的转化率，故C正确；

D.平衡常数只与温度有关，增大压强，温度不变，该反应的化学平衡常数不变，故D正确；

故选CD。

(3)根据题目数据计算如下：

甲醇的物质的量分数为=10%，所以 x=0.125mol·L-1；

甲醇的速率=0.025 mol·L-1·min-1；

②由上述计算，反应的氢气为2×0.125 mol·L-1=0.25 mol·L-1，转化率为×100%=25%；达平衡时CO、H2和CH3OH的物质的量浓度分别为：0.375 mol·L-1、0.75 mol·L-1和0.125 mol·L-1，所以平衡常数K＝＝0.59；

③1min时，没有达到平衡，甲醇的浓度增大，反应正向进行，υ正>υ逆；

④反应达平衡的速率图象如下图：

所以，在达平衡前任意点的正反应速率大于任意点的逆反应速率，即1min时的υ正(CH3OH)＞4min 时υ逆(CH3OH )；

⑤12～13min处于非平衡状态，反应速度大，甲醇在7～8min、25～27min处于平衡状态，平均反应速率为0，甲醇在7～8min、12～13min和25～27min时平均反应速率的大小：υ(12~13)>υ(7~8)＝υ((25~27)；

⑥若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶，重复上述实验，则反应放出的热量不能散发，会使体系温度上升，正反应放热，温度升高，平衡逆向移动，甲醇体积分数将减小，所以小于0.1。