Question

甲醇(CH₃OH)常温下为无色液体，是应用广泛的化工原料和前景乐观的燃料。

(1)已知：CO、H₂、CH₃OH的燃烧热(ΔH)分别为-283.0kJ•mol^-1、-285.8kJ•mol^-1、-726.8kJ•mol^-1，则CO和H₂反应生成CH₃OH的热化学方程式是____________。

(2)一定温度下反应CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g)在容积为2L的密闭容器中进行，其相关数据见如图。

①从反应开始至平衡时，用H₂表示化学反应速率为____________。

②能判断该反应达到平衡状态的是____________(填字母)。

A.生成CH₃OH与消耗H₂的速率比为1:2

B.容器内气体密度保持不变

C.容器内气体的平均相对分子质量保持不变

D.容器内各种成分的浓度保持不变

③该温度下此反应的平衡常数为是____________，5min后速率变化加剧的原因可能是____________；

(3)在6.98MPa、250°C和催化剂(CoI₂)作用下，甲醇可转化为乙酸：CH₃OH(g)+CO(g)=CH₃COOH(g)，有机合成常有副反应存在。若反应釜中CH₃OH和CO配料比(质量)为1，甲醇生成乙酸的转化率为90.0%，则此反应CO的转化率为____________。

Answer

CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l)△H=-127.8kJ/mol 0.06mol/(L•min) CD 9.375 使用了催化剂 78.75%

【解析】

(1)已知：CO、H2、CH3OH的燃烧热(ΔH)分别为-283.0kJ•mol-1、-285.8kJ•mol-1、-726.8kJ•mol-1，则①CO(g)+O2(g)=CO2(g)△H=-283.0kJ•mol-1

②H2(g)+O2(g)═H2O(l)△H=--285.8kJ•mol-1

③CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-726.8kJ•mol-1

根据盖斯定律，①+②×2-③可得CO和H2反应生成CH3OH的热化学方程式是CO(g)+2H2(g)=CH3OH(l) △H =-127.8kJ/mol；

(2)①根据图象，反应在10min时达到化学平衡，H2的物质的量改变为2mol-0.8mol=1.2mol，容器体积为2L，则以H2表示化学反应平均速率为v(H2)==0.06mol/(L⋅min)；

②反应CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)为正反应气体分子数减小的放热反应体系，

A．生成CH3OH与消耗H2都是正向反应速率，不能说明正逆反应速率相等，故A不能说明反应达到平衡状态；

B．反应过程中，容器内气体总质量不变，容器的容积不变，则在反应过程中混合气体的密度始终不变。若容器内混合气体的密度保持不变，不能说明反应达到平衡状态，故B不能说明反应达到平衡状态；

C．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体物质的量变化，则平均摩尔质量质量发生变化，摩尔质量在数值上等于相对分子质量，则混合气体的平均相对分子质量不随时间而变化，则反应到达平衡，故C能说明反应达到平衡状态；

D．容器内各种成分的浓度保持不变，说明正逆反应速率相等，则反应达到平衡，故D能说明反应达到平衡状态；

答案选CD；

③根据反应方程式CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)计算，各组分达到平衡时的浓度为c(CO)==0.2mol/L，c(H2)==0.4mol/L，c(CH3OH)==0.3mol/L，所以该反应的化学平衡常数为K==9.375；根据图象，5min后化学反应速率加快，但物质的量变化依然按照化学计量比，则5min后速率变化加剧的原因可能是使用催化剂；

(3)甲醇可转化为乙酸的化学方程式为：CH3OH(g)+CO(g)═CH3COOH(g)，当反应釜中CH3OH和CO配料比(质量)为1，甲醇生成乙酸的选择率为90.0%，设CH3OH和CO均为1g，则生成乙酸的质量为0.9g，此时消耗CO的质量为0.9g×=0.7875g，所以CO的平衡转化率为α=×100%=78.75%。