Question

利用合成气（主要成分为CO、CO₂和H₂）在催化剂的作用下合成甲醇；发生的主反应如下： 

i. CO₂(g)+3H₂₍g)CH₃OH(g)+H₂O(g)   △H₁ 

ii. CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)     △H₂

iii. CO₂(g)+H₂(g)CO(g)+H₂O(g)  △H₃ 

回答下列问题： 

（1）已知反应ii中的相关的化学键键能（“CO”表示CO的化学键）数据见表： 

化学键	H-H	C-O	CO	H-O	C-H
E/（kJ·mol^-1）	436	343	1076	465	413

由此计算△H₂=________ kJ·mol^-1; 已知△H₁=-58kJ·mol^-1，则△H₃=________  kJ·mol^-1

（2）反应i、ii、iii对应的平衡常数K₁、K₂、K₃之间的关系式为_______________ 。 

（3）一定条件下，在2L的恒容密闭容器中充入1molCO₂和2molH₂发生反应i 。下图1是反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线。

①当温度为500K时，该反应10min达到平衡。0～10min时间内用CH₃OH表示该反

应的化学反应速率为_____________________。

②若改充入1mol CO₂和3mol H₂，则图1中的曲线会_________（填“上移”或“下移”）。

（4）某温度下在容积为2L的密闭容器中充入1mol CO和2mol H₂合成甲醇，发生反应ii，各组分物质的量随时间的变化情况如图2所示。

①5min至10min时速率变化的原因可能是_________；

②反应ii在10min时达平衡，此时平衡常数K=_________（保留两位有效数字）。

③若该反应在恒温恒压下进行，能说明该反应达到平衡状态的是________；

A．单位时间内消耗CO的浓度与生成CH₃OH的浓度相等 

B．混合气体的密度不变

C．CO和H₂的体积分数之比不变          

D．混合气体的平均相对分子质量不变

Answer

-99 +41 K1=K2·K3（或者K3=K1/K2） 0.03mol/(L·min) 上移 升高温度或使用了催化剂 9.38 BD

【解析】（1）反应热=反应物总键能−生成物总键能，故△H1=(1076+2×436)−(3×413+343+465)=−99 kJ·mol-1；根据盖斯定律：反应i−反应ii=反应iii，△H3=△H1−△H2=−58−(−99)=+41 kJ·mol-1。

故答案为：−99；+41；

（2）反应i−反应ii=反应iii，所以K3=K1/K2，即K1=K2·K3；

故答案为：K1=K2·K3（或者K3=K1/K2）；

（3）①当温度为500K时，CO2的平衡转化率为60％，则△n(CO2)=0.6mol。变化量之比等于计量系数之比，根据CO2(g)+3H2(g) ⇌CH3OH(g)+H2O(g)，得△n(CH3OH)=0.6mol，所以v(CH3OH)= =0.03mol/(L·min)。

故答案为：0.03mol/(L·min)；

②图1反应为恒容时充入1molCO2和2molH2，若改充入1mol CO2和3mol H2，即增加的H2量。相同温度下，增大氢气的量，CO2的平衡转化率增大，故图1上的曲线会上移。

故答案为：上移。

①5min时刻瞬间，各组分的物质的量没有发生突变，各组分物质的量变化的速率加快，即反应速率加快，可能是升高温度或使用了催化剂。

故答案为：升高温度或使用了催化剂；

②10min时达到平衡状态，此时n(CO)=0.4mol,n(H2)=0.8mol, n(CH3OH)=0.6mol,则平衡常数K=≈9.38。

故答案为：9.38；

③若反应CO(g)+2H2(g) ⇌CH3OH(g)在恒温恒压下进行，则温度和压强是一个定量，变量不再改变时，反应达到平衡状态。A、单位时间内消耗CO的浓度与生成CH3OH的浓度均只能用来表示正反应速率，且正反应中不管反应是否平衡都存在这样一个等量关系，不能作为反应达到平衡状态的标志，故A错误；B、该反应是一个前后气体数目不相等的反应，则恒温恒压下，容器体积是变量，气体总质量为定量，根据ρ=m/V，可知密度是变量，当密度不再改变，则反应达到平衡状态，故B正确；C、起始时，CO和 H2的物质的量之比为1∶2，在反应过程中，物质的量变化量之比也为1∶2，所以无论反应进行到何时，CO和 H2的物质的量之比都为1∶2，即CO和H2的体积分数之比一直是不变的，故不能作为平衡的标志，故C错误；D、气体的平均相对分子质量数值上=总质量÷气体总物质的量，在该反应中气体的总质量是定量，而气体的物质的量是变量，故气体的平均相对分子质量是一个变量，当混合气体的平均相对分子质量不变，说明反应达到平衡状态，故D正确。故选BD。