Question

6．甲醇是21世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的清潔燃料之一，通過下列反應(yīng)可以制備甲醇：
CO （ g ）+2H₂（ g ）?CH₃OH （ l ）△H
（1）已知：

化學(xué)式	H2（g）	CO（g）	CH3OH（l）
標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱（25℃） △H/kJ•mol-1	-285.8	-283.0	-726.5

計(jì)算上述反應(yīng)的△H=-128.1 kJ•mol^-1．
（2）在容積可變的密閉容器中充入1mol CO （ g ）和2molH₂（ g ）生成CH₃OH（ g ），H₂的平衡轉(zhuǎn)
化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化如圖1所示．
①該反應(yīng)的△S＜0，圖中的T₁＜T₂（填“＜”、“＞”或“=”）．
②當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)A 時(shí)，容器的體積為2L，此時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)為4，若達(dá)到平衡狀態(tài)B 時(shí)，則容器的體積V（B）=0.4L．
（3）在容積固定為2L的密閉容器中充入2molCO（ g ）和6molH₂（ g ）生成CH₃OH（ g ），反應(yīng)時(shí)間與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系如圖2所示，則前10分鐘內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率為0.16mol•L^-1•min^-1；若15分鐘時(shí)升高體系溫度，在20分鐘時(shí)達(dá)到新平衡，此時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫出15-25分鐘c（CO）的變化曲線．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ）的焓變，寫出熱化學(xué)方程式；
（2）①反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0，據(jù)此分析判斷，壓強(qiáng)一定溫度越高平衡逆向進(jìn)行，氫氣的轉(zhuǎn)化率減小；
②在容積可變的密閉容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A點(diǎn)氫氣轉(zhuǎn)化率0.5，
CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol） 1 2 0
變化量（mol） 0.5 1 0.5
平衡量（mol） 0.5 1 0.5
平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
B點(diǎn)和A點(diǎn)溫度不變平衡常數(shù)不變，結(jié)合三行計(jì)算列式計(jì)算平衡濃度，結(jié)合平衡常數(shù)計(jì)算氣體體積；
（3）在容積固定為2L的密閉容器中充入2molCO（ g ）和6molH₂（ g ）生成CH₃OH（ g ），圖中中是甲醇的濃度增加，達(dá)到平衡狀態(tài)甲醇濃度為0.8mol/L，據(jù)此計(jì)算甲醇反應(yīng)速率，速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比得到氫氣的反應(yīng)速率，計(jì)算平衡狀態(tài)下CO的濃度，若15分鐘時(shí)升高體系溫度，在20分鐘時(shí)達(dá)到新平衡，此時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，改變條件后依據(jù)氫氣的轉(zhuǎn)化率列三行計(jì)算，得到平衡狀態(tài)下一氧化碳的濃度，據(jù)此畫出圖象變化．

解答 解：（1）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知用①+③-$\frac{2}{3}$×②得反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l），
該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-283.0kJ•mol^-1+（-285.8kJ•mol^-1）-$\frac{2}{3}$（-726.5kJ•mol^-1）=-128.1kJ•mol^-1，
即CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-128.1kJ•mol^-1．
故答案為：-128.1kJ•mol^-1；
（2）①CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （ l ），反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，氣體體積減小反應(yīng)的熵變△S＜0，圖象中壓強(qiáng)一定隨溫度升高，平衡逆向進(jìn)行，氫氣轉(zhuǎn)化率減小，則T₁＜T₂，
故答案為：＜；＜；
②在容積可變的密閉容器中充入1mol CO （ g ） 和2molH₂ （ g ）生成CH₃OH（ g ），A點(diǎn)氫氣轉(zhuǎn)化率0.5，
                      CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol） 1                  2                     0
變化量（mol） 0.5               1                     0.5
平衡量（mol） 0.5                1                      0.5
平衡常數(shù)K=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$$\frac{\frac{0.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=4，
若達(dá)到平衡狀態(tài)B 時(shí)轉(zhuǎn)化率為0.8，結(jié)合平衡三行計(jì)算列式計(jì)算，
                       CO （ g ）+2H₂ （ g ）?CH₃OH （g ）
起始量（mol） 1                 2                         0
變化量（mol） 0.8             1.6                      0.8
平衡量（mol） 0.2            0.4                       0.8
B點(diǎn)溫度不變平衡常數(shù)不變，K=$\frac{\frac{0.8}{V（B）}}{\frac{0.2}{V（B）}×（\frac{0.4}{V（B）}）^{2}}$=4
則容器的體積V（B）=0.4
故答案為：4，0.4；
（3）V（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08mol/（L•min），根據(jù)方程式得V（CH₃OH）：V（H₂）=1：2，所以V（H₂）=2×0.08mol/（L•min）=0.16mol/（L•min）；
                         2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 3               1                    0
變化量（mol/L） 1.6            0.8                 0.8
平衡量（mol/L） 1.4             0.2                     0.8
此時(shí)CO的平衡濃度為 0.2mol/L，
改變溫度，假設(shè)在20分鐘時(shí)達(dá)到新平衡，氫氣的轉(zhuǎn)化率為33.3%，則氫氣轉(zhuǎn)化的濃度為△C=$\frac{6mol}{2L}$×33.3%=1mol/L，
                                2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）
起始濃度（1mol/L） 3                 1                  0
轉(zhuǎn)化濃度（1mol/L） 1                0.5               0.5
平衡濃度（1mol/L） 2                0.5                    0.5
CO平衡濃度為0.5mol/L，15min時(shí)CO濃度為0.2mol/L．升溫平衡逆向進(jìn)行，一氧化碳物質(zhì)的量濃度增大，據(jù)此畫出變化曲線為：，
故答案為：0.16mol•L^-1•min^-1；
．

點(diǎn)評(píng) 本題考考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算應(yīng)用，平衡常數(shù)的計(jì)算及應(yīng)用，影響平衡的因素分析判斷，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等．