Question

16．節(jié)能減排已經(jīng)成為全社會的共識，浙江省在原先推行乙醇汽油的基礎(chǔ)上，開始試點甲醇汽油（即在汽油中添加一定量的甲醇），根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)分析認為，若寧波全市的140余萬輛機動車全部使用甲醇汽油，一年內(nèi)能減少有害氣體（一氧化碳）排放將近100萬噸．甲醇常利用煤氣化過程中生成的CO和H₂來制備：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．請根據(jù)圖示回答下列問題：

（1）關(guān)于該反應的下列說法中，正確的是C（填字母）：
A．△H＞0，△S＞0                    B．△H＞0，△S＜0
C．△H＜0，△S＜0                    D．△H＜0，△S＞0
（2）現(xiàn)進行如下實驗，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO和3molH₂，凈測得CO和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如（圖1）所示．從反應開始到平衡，CO的平均反應速率v（CO）=0.075mol/（L•min），該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{4}{3}{L}^{2}/mo{l}^{2}$．
（3）恒容條件下，達到平衡后，下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$增大的有C．
A．升高溫度                        B．充入He氣
C．再充入1molCO和3molH₂           D．使用催化劑
（4）根據(jù)（圖2），寫出此反應的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol．
（5）若在一體積可變的密閉容器中充入1molCO、2molH₂和1molCH₃OH，達到平衡時測的混合氣體的密度是同溫同壓下起始的1.6倍（此過程三種物質(zhì)均處于氣態(tài)），則平衡時混合氣體的平均摩爾質(zhì)量=25.6g/mol．

Answer 1

分析 （1）甲醇常利用煤氣化過程中生成的CO和H₂來制備：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），對于該反應，隨著反應的進行，氣體的物質(zhì)的量減少，由能量變化圖看出，生成物能量低于反應物能量，據(jù)此作答；
（2）在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO和3molH₂，根據(jù)濃度變化圖，從反應開始到平衡，CO的物質(zhì)的量濃度改變量為△c=1-0.25=0.75mol/L，時間為△t=10min，根據(jù)化學反應平均速率公式：$v（CO）=\frac{△c}{△t}$可以計算，反應的平衡常數(shù)表達式為：$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$，代入平衡時候的濃度即可；
（3）恒容條件下，達到平衡后，下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$增大的措施，聯(lián)系反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的焓變與熵變情況，常用的改變化學平衡的措施：溫度改變，壓強改變，增大反應物濃度等情況分析；
（4）根據(jù)（圖2），從圖2可以看出，反應物能量低于生成物能量，可見反應為放熱反應，反應物總能量與生成物總能量之間的差值是焓變，注意修正正負號即可；
（5）若在一體積可變的密閉容器中充入1molCO、2molH₂和1molCH₃OH，達到平衡時測的混合氣體的密度是同溫同壓下起始的1.6倍（此過程三種物質(zhì)均處于氣態(tài)），密度為$ρ=\frac{m}{V}$，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：pV=nRT，從而推導相關(guān)公式予以作答．

解答 解：（1）對于反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），隨著反應的進行，氣體的物質(zhì)的量減少，即體系的混亂度降低，則△S＜0，由能量變化圖看出，生成物能量低于反應物能量，可見反應為放熱反應，則△H＜0，綜上，△S＜0，△H＜0．故選C．
（2）在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO和3molH₂，根據(jù)濃度變化圖，從反應開始到平衡，CO的物質(zhì)的量濃度改變量為△c=1-0.25=0.75mol/L，時間為△t=10min，則CO的平均速率為$v（CO）=\frac{△c}{△t}=\frac{0.75mol/L}{10min}=0.075$mol/（L•min）．
反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應的平衡常數(shù)表達式為：$K=\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$，根據(jù)濃度變化圖，平衡時候，c（CO）=0.25mol/L，c（H₂）=3-2×（1-0.25）=1.5mol/L，c（CH₃OH）=0.75mol/L，則平衡常數(shù)為$K=\frac{0.75mol/L}{（1.5mol/L）^{2}×0.25mol/L}$=$\frac{4}{3}{L}^{2}/mo{l}^{2}$．
故答案為：0.075mol/（L•min），$\frac{4}{3}{L}^{2}/mo{l}^{2}$．
（3）反應為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），在恒容條件下，達到平衡后，改變反應條件，
A．反應的焓變△H＜0，為放熱反應，升高溫度，反應平衡向逆反應方向移動，導致$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$減小，故A不選；
B．恒容條件下沖入He，由于He并不參加化學反應，且不改變體系中各組分的濃度，對化學平衡不產(chǎn)生影響，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$不變，故B不選；
C．再沖入1molCO和3molH₂，增加了反應物濃度，使平衡向正反應方向移動，可以使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$增大，故C可選；
D．使用催化劑只能縮短反應到達平衡的時間，不改變化學反應的平衡狀態(tài)，則$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$不變，故D不選．
故選C．
（4）根據(jù)（圖2），從圖2可以看出，反應物能量低于生成物能量，可見反應為放熱反應，△H=419-510=-91kJ/mol，反應的熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol．
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol．
（5）若在一體積可變的密閉容器中充入1molCO、2molH₂和1molCH₃OH，達到平衡時測的混合氣體的密度是同溫同壓下起始的1.6倍（此過程三種物質(zhì)均處于氣態(tài)），密度公式為$ρ=\frac{m}{V}$，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，pV=nRT，氣體質(zhì)量m=n•M_r，則氣體密度公式可變?yōu)棣?$\frac{p•{M}_{r}}{RT}$，可見在同溫同壓下，混合氣體的密度與氣體的平均摩爾質(zhì)量成正比，起始時候，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為$\overline{{M}_{r0}}=\frac{1×28+2×2+1×32}{4}=16g/mol$，則平衡時候，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為$\overline{{M}_{r}}=\frac{16×1.6}{1}=25.6g/mol$．故答案為：25.6g/mol．

點評 本題考查化學平衡和化學熱力學相關(guān)知識，涉及到平衡常數(shù)的計算，注意實驗平衡常數(shù)需帶有單位，熱化學方程式的書寫，化學反應速率計算，化學平衡的移動，以及理想氣體狀態(tài)方程的簡單應用．題目難度不大，是基礎(chǔ)題．