Question

【題目】甲醇是一種重要的有機(jī)原料，在催化劑的作用下，CO和H2反應(yīng)可生成甲醇 (CH3OH) 和副產(chǎn)物CH4，反應(yīng)如下：

反應(yīng)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-90.0kJ/mol

反 應(yīng)②CO(g)+3H2(g)CH4(g) + H2O(g) △H2

反應(yīng)③ CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+ 4H2(g) △H3=+125.0 kJ/mol

反應(yīng)④CO(g)+ H2O(g)CO2(g) + H2(g) △H4=-25.0 kJ /mol

K1、K2、K3、K4分別表示反應(yīng)①、②、③、④的平衡常數(shù)。

回答下列問題：

（1）反應(yīng)②的平衡常數(shù)的表達(dá)式為K2=______________，K2與K3和K4的關(guān)系為K2=______________，△H2=____________kJ/mol。

（2）圖1中能正確表示反應(yīng)①的平衡常數(shù)(lgK1) 隨溫度變化的曲線為______________（填曲線字母），其判斷理由為______________________________________________________________。

（3）恒溫恒容的條件下，下列情況能說明反應(yīng)①達(dá)到平衡狀態(tài)的是__________________。

A.2v正 (H2)=v逆(CH3OH) B.混合氣體的密度不再改變

C.混合氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變 D.混合氣體的壓強(qiáng)不再改變

（4）為探究不同催化劑對CO和H2生成CH3OH的選擇性效果，某實(shí)驗(yàn)室控制CO和H2的初始投料比為1∶3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到如下數(shù)據(jù)：

T/K	時間/min	催化劑種類	甲醇的含量(%)
450	10	CuO-ZnO	78
450	10	CuO-ZnO-ZrO2	88
450	10	ZnO-ZrO2	46

①由表1可知，反應(yīng)①的最佳催化劑為______________，圖2中a、b、c、d四點(diǎn)是該溫度下CO平衡轉(zhuǎn)化率的是_________________________________。

②有利于提高CO轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率的措施有_________________。

A.使用催化劑CuO-ZnO-ZrO2 B.適當(dāng)降低反應(yīng)溫度

C.增大CO和H2的初始投料比 D.恒容下，再充入a molCO和3a mol H2

（5）已知1000℃，反應(yīng)CO(g)+ H2O(g)CO2(g) + H2(g) K4=1.0。該溫度下，在某時刻體系中CO、H2O、CO2、H2的濃度分別為3molL-1、1molL-1、4molL-1、2molL-1，則此時上述反應(yīng)的v正(CO)_______v逆(CO) （填“＞”、“＜”或“=”）達(dá)到平衡時c(CO)=___________ molL-1。

Answer 1

【答案】 c(CH4)c(H2O)/[ c(CO)c3 (H2)] K4/K3 -150.0 A 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動，K減小，lgK減小 CD CuO-ZnO-ZrO2 cd BD < 3.5

【解析】（1）反應(yīng)②的平衡常數(shù)的表達(dá)式為K2= c(CH4)c(H2O)/[ c(CO)c3 (H2)]；反應(yīng)②=反應(yīng)④-反應(yīng)③，所以K2= K4/K3；△H2=△H4-△H3=-25.0kJ/mol-（+125.0kJ/mol）= -150.0 kJ/mol。

（2）反應(yīng)①正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動，平衡常數(shù)K減小，lgK減小，故能正確表示反應(yīng)①的平衡常數(shù)(lgK1)隨溫度變化的曲線為A。答案為：A、該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動，K減小，lgK減小。

（3）A、當(dāng)v正(H2)= 2v逆(CH3OH)，可以說明反應(yīng)已達(dá)平衡，A中速率的比值關(guān)系搞錯，A不可以說明；B、恒溫恒容下，混合氣體的密度始終不改變，B不可以說明；C、混合氣體的總質(zhì)量不變，混合氣體的物質(zhì)的量隨平衡的移動改變，故當(dāng)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變時，說明反應(yīng)已達(dá)平衡，C可以說明；D、該反應(yīng)是前后氣體分子數(shù)發(fā)生改變的反應(yīng)，當(dāng)混合氣體的壓強(qiáng)不再改變時，說明反應(yīng)已達(dá)平衡，D可以說明。故能說明反應(yīng)①達(dá)到平衡狀態(tài)的是CD。

（4）①由表1可知，溫度相同時相同時間內(nèi)，催化劑為CuO-ZnO-ZrO2時，甲醇的含量最高，所以反應(yīng)①最好的催化劑為CuO-ZnO-ZrO2；反應(yīng)①為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動，K減小，圖2中a到c段，K在增大，所以a到c段表示的是反應(yīng)還未達(dá)到平衡，cd段才是平衡狀態(tài)，即a、b點(diǎn)不是平衡點(diǎn)， c、d兩點(diǎn)是相應(yīng)溫度下CO平衡轉(zhuǎn)化率的點(diǎn)。 ②要提高CO轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率，對A：催化劑不影響平衡的移動，A錯誤；對B：該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，適當(dāng)降低溫度，平衡右移，可以加大CO的轉(zhuǎn)化率，B正確；對C：增大CO和H2的初始投料比，CO的轉(zhuǎn)化率降低，C錯誤；對D：恒容下，再充入amolCO和3amolH2，先將這部分氣體充入另一個容器，構(gòu)成等效平衡，然后再壓入原來容器，相當(dāng)于增壓，平衡右移，CO的轉(zhuǎn)化率增大，D正確。故能提高CO轉(zhuǎn)化率的是BD。

（5）某時刻該反應(yīng)的濃度商Qc= c(CO2)c(H2)/[ c(CO)c(H2O)]=（4×2）/（3×1）=8/3> K4=1.0，所以反應(yīng)在逆向進(jìn)行，v正(CO)<v逆(CO)；設(shè)平衡左移過程中再生成xmol /L的CO，則達(dá)平衡時，CO、H2O、CO2、H2的濃度分別為(3+x)molL-1、(1+x)molL-1、(4-x)molL-1、(2-x)molL-1，達(dá)平衡時有(2-x)×(4-x)/ [(3+x)×(1+x)]=1，解得x=0.5，所以平衡時CO的濃度為c=(3+0.5)molL-1=3.5mol/L。