Question

【題目】甲醇是一種常見的燃料和有機溶劑。下列為合成甲醇的有關熱化學方程式：

Ⅰ．CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+206kJmol-1

Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

Ⅳ.3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H4

回答下列問題：

（1）上述反應中△H4=______kJmol-l。

（2）現將1.0mol CH4和2.0mol H2O（g）通入恒容反應室（容積為100L）中，在一定條件下發生反應I，平衡時CH4的轉化率與溫度、壓強的關系如圖甲所示。

①下列說法能表明該反應已達平衡狀態的是______（填字母序號）；

a．生成CO和H2的物質的量之比為1：3

b．容器內混合氣體的密度保持不變

c．混合氣體的壓強保持不變

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3

②已知100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H2表示的平均反應速率為______molL-lmin-1；

③圖中的p1______p2（選填“＜”“＞”或“=”），100℃時的平衡常數為______mol2L-2。

（3）在壓強為0.1MPa條件下，1mol CO與3mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發發生反應Ⅱ生成甲醇。

①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是______（填字母序號）；

a．升高溫度

b．將CH3OH（g）從體系中分離

c．充人氦氣，使體系總壓強增大

d．再充人1mol CO和3mol H2

②根據反應Ⅱ的特點，圖乙是在壓強分別為0.2MPa和5MPa下CO的轉化率隨溫度變化的曲線，請指明圖乙中的壓強px=______MPa。

（4）在總壓p=5MPa的恒壓密閉容器中進行反應Ⅳ，按照不同氫碳比投料測得CO2的平衡轉化率與溫度關系如圖丙所示（已知Kp是用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數），則：

①X點時，H2的轉化率為______，

②600℃、m=3時，Kp=______MPa-2（保留兩位小數）。

（5）復旦大學先進材料實驗室科研團隊研究出以過渡金屬為催化劑的電催化還原二氧化碳制甲醇的途徑，大大提高了甲醇的產率，原理如圖丁所示。

①石墨2電極上發生______（選填“氧化”或“還原”）反應；

②石墨1發生的電極反應式為______。

Answer 1

【答案】-215.5 cd 0.003 ＜ 2.25×10-4 bd 0.2 60% 0.16 氧化 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】

（1）Ⅱ.2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H2=-90kJmol-1

Ⅲ．H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H3=-125.5kJmol-1

根據蓋斯定律反應II+III可得3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）則△H4=-90kJmol-1+（-125.5kJmol-1）=-215.5kJ/mol，故答案為：-215.5；

（2）①a．該反應發生時生成CO和H2的物質的量之比始終為1：3，則不能判定反應是否達到平衡態，故a錯誤；

b．恒容體系中各物質均為氣體，氣體總質量不變，所以容器內混合氣體的密度始終保持不變，則不能判定反應是否達到平衡態，故b錯誤；

c．該反應正向氣體體積增大，所以混合氣體的壓強保持不變的狀態是平衡狀態，故c正確；

d．甲烷的生成速率與H2的生成速率之比為1：3，即v逆（CH4）：v正（H2）=1：3，正逆反應速率符合反應計量關系，則可判定反應達到平衡狀態，故d正確；

綜上所述，答案為：cd；

②0～5min時CH4的物質的量變化為1.0mol×0.5=0.5mol，v（CH4）= =0.001mol/（Lmin），反應為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），所以v（H2）=3v（CH4）=0.003mol/（Lmin），故答案為：0.003；

③該反應正向氣體體積增大，增大壓強，平衡逆向移動，CH4的平衡轉化率減小，即壓強越大，CH4的平衡轉化率越小，所以圖中壓強p1＜p2；

反應三段式為CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

平衡濃度：c（CH4）=0.005mol/L、c（H2O）=0.015mol/L、c（CO）=0.005mol/L、c（H2）=0.015mol/L，平衡常數K= mol2L-2=2.25×10-4mol2L-2，故答案為：2.25×10-4；

（3）①a．反應正向放熱，升高溫度，平衡逆向移動，甲醇產率降低，故a錯誤；

b．將CH3OH（g）從體系中分離，降低CH3OH濃度，促進平衡正向移動，甲醇的產率增大，故b正確；

c．充人氦氣，使體系總壓強增大，但反應體系中各物質濃度不變，平衡不移動，甲醇產率不變，故c錯誤；

d．再充入1molCO和3molH2，相當與增大壓強，平衡正向移動，甲醇產率增大，故d正確；

綜上所述，答案為：bd；

②該反應正向氣體體積減小，增大壓強，平衡正向移動，CO的轉化率增大，即壓強越大，CO的轉化率越高，所以px=0.2MPa，py=5MPa，故答案為：0.2；

（4）①m=3時，H2與CO的物質的量之比等于化學反應的計量數之比時，所以H2、CO的轉化率相同，均為60%，故答案為：60%；

②反應三段式為3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）（m=3時，設H2/span>的物質的量為3mol，圖中CO2轉化率為60%）

平衡分壓：p（H2）=、p（CO2）= 、p（CH3OH）= p（H2O）= ，Kp= ，故答案為：0.16；

（5）①由電解裝置可知，石墨2上H2O→O2，O化合價升高，失去電子，發生氧化反應，故答案為：氧化；

②由電解裝置可知，石墨1上CO2（g）→CH3OH，則石墨1電極為陰極，發生得電子的還原反應，電極反應式為CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O，故答案為：CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。