Question

【題目】Ⅰ.為減少碳排放，科學家提出利用CO2和H2反應合成甲醇，其反應原理為CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)。

(1)上述反應常用CuO和ZnO的混合物作催化劑。經研究發現，催化劑中CuO的質量分數對CO2的轉化率和CH3OH的產率有明顯影響。實驗數據如表所示：

根據數據表判斷，催化劑中CuO的最佳質量分數為________。

(2)已知：①CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH1＝－41 kJ·mol－1；

②CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH2＝－91 kJ·mol－1。

寫出由CO2和H2制備甲醇蒸氣并產生水蒸氣的熱化學方程式：______________________________。

(3)甲醇是清潔能源。某甲醇燃料電池的電解質為稀硫酸，其能量密度為5.93 kW·h·kg－1。該電池的負極反應式為______________。若甲醇的燃燒熱為ΔH＝－726.5 kJ·mol－1，該電池的能量利用率為________(結果精確到小數點后1位數字)。(已知1 kW·h＝3.6×106 J)

Ⅱ.利用CO和H2在催化劑的作用下合成甲醇，發生如下反應：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。在體積一定的密閉容器中按物質的量之比1∶2充入CO和H2，測得平衡混合物中CH3OH的體積分數在不同壓強下隨溫度的變化情況如圖1所示。現有兩個體積相同的恒容密閉容器甲和乙，向甲中加入1 mol CO和2 mol H2，向乙中加入2 mol CO和4 mol H2，測得不同溫度下CO的平衡轉化率如圖2所示。

(1)該反應的ΔH________(填“＞”、“＜”或“＝”，后同)0，p1________p2。

(2)達到平衡時，反應速率：A點________B點。平衡常數：C點________D點。

(3)在C點時，CO的轉化率為________。

(4)L、M兩點容器內壓強：p(M)________2p(L)。

Answer 1

【答案】Ⅰ.(1)50%

(2)CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1

(3)CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋ 94.0%

Ⅱ.(1)＜ ＞ (2)＜ ＝ (3)75% (4)＞

【解析】Ⅰ.(1)根據數據表知，氧化銅的質量分數為50%時CO2的轉化率和CH3OH的產率最高。(2)根據蓋斯定律知，②－①得CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－50 kJ·mol－1。(3)甲醇在負極上發生氧化反應生成二氧化碳和氫離子。取1 mol甲醇計算：放出總熱量Q為726.5 kJ，電池放電能量E＝5.93 kW·h·kg－1×0.032 kg×3 600 kJ·(kW·h)－1≈683.1 kJ，該電池的能量利用率為×100%≈94.0%。

Ⅱ.(1)從圖示可以看出，隨溫度升高，平衡混合物中CH3OH的體積分數不斷減小，說明該反應為放熱反應，ΔH＜0；因為該反應是氣體體積縮小的反應，圖示中從C點到B點，平衡混合物中CH3OH的體積分數增大，反應向正反應方向移動，所以p1＞p2。(2)A點與B點相比較，B點壓強大、溫度高，反應速率快；C點與D點相比較，雖然壓強不同，但溫度相同，所以平衡常數相同。(3)假設CO的轉化率為x，CO、H2的起始物質的量分別為1 mol、2 mol，

CO(g) ＋ 2H2(g) CH3OH(g)

起始物質的量： 1 mol 2 mol 0

變化物質的量： x mol 2x mol x mol

平衡物質的量： (1－x)mol (2－2x)mol x mol

根據題意：x mol÷[(1－x)mol＋(2－2x)mol＋x mol]×100%＝50%，x＝0.75。

(4)如果不考慮平衡移動，容器乙中氣體總物質的量是容器甲中氣體總物質的量的兩倍，p(M)＝2p(L)，但現在容器乙溫度高，反應又是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，氣體的物質的量增加，所以p(M)＞2p(L)。