Question

【題目】碳及其化合物在化工生產中有著廣泛的應用。

I.為解決大氣中CO2的含量增大的問題，某科學家提出如下構想：

把工廠排出的富含CO2的廢氣經凈化吹入碳酸鉀溶液吸收，然后再把CO2從溶液中提取出來，在合成塔中經化學反應使廢氣中的CO2轉變為燃料甲醇。

部分技術流程如下:

⑴合成塔中反應的化學方程式為____________；△H<0。該反應為可逆反應，從平衡移動原理分析，低溫有利于提高原料氣的平衡轉化率。而實際生產中采用300℃的溫度，除考慮溫度對反應速率的影響外，還主要考慮了___________________________________________________________________。

(2)從合成塔分離出甲醇的原理與下列_______操作的原理比較相符(填字母）

A.過濾 B.分液 C.蒸饋 D.結晶

(3)如將CO2與H2以1:4的體積比混合，在適當的條件下可制得CH4。寫出CO2(g)與H2(g)反應生CH4(g)與液態水的熱化學方程式:

已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) △H2=-571.6kJ/mol

_______________________________________________________________________。

II.甲烷燃燒會放出大量的熱，可作為能源應用于人類的生產和生活。

己知：①2CH4(g)+3O2(g)=2CO(g)+4H2O(l)； △H1=-1214.6kJ/mol

②CO2(g)=CO(g)+1/2O2(g)； △H2=+283.0kJ/mol

則表示甲烷燃燒熱的熱化學方程式______________________________。

III.某興趣小組模擬工業合成甲醇的反應:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在容積固定為2L的密閉容器中充入1mol CO 2mol H2，加入合適的催化劑（催化劑體積忽略不計）后開始反應。測得容器內的壓強隨時間變化如下:

時間/min	0	5	10	15	20	25
壓強/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

(1)從反應開始到20min時，以CO表示反應速率為_____________________。

(2)下列描述能說明反應達到平衡的是_______________________

A.裝置內氣體顏色不再改變 B.容器內氣體的平均摩爾質量保持不變

C.容器內氣體的壓強保持不變 D.容器內氣體密度保持不變

(3)該溫度下平衡常數K=____，若達到平衡后加入少量CH3OH(g)，此時平衡常數K值將____ (填“增大”、“減小”或“不變”)

(4)該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO 2mol H2，此時CO的轉化率將__________(填“增大”、“減小”或“不變”)

Answer 1

【答案】 CO2+3H2CH3OH+H2O 催化劑的催化活性、反應速率 C CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) △H=-252.9kJ/mol CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) △H=-890.3kJ/mol 0.0125mol·L-1·min-1 BC 4 不變 增大

【解析】試題分析：本題考查反應熱的計算，熱化學方程式的書寫，化學反應速率的計算，化學平衡的判斷，外界條件對化學反應速率和化學平衡的影響以及實際應用。

I（1）富含CO2的廢氣經凈化被碳酸鉀溶液吸收發生反應CO2+K2CO3+H2O=2KHCO3，在分解池中發生反應2KHCO3K2CO3+H2O+CO2↑，合成塔中由CO2和H2在2105Pa、300℃、鉻鋅觸媒作用下反應生成CH3OH，反應的化學方程式為CO2+3H2CH3OH+H2O。該反應的ΔH0，低溫有利于平衡正向移動，提高原料的轉化率，采用300℃除了考慮溫度對化學反應速率的影響，還考慮溫度對催化劑催化活性、反應速率的影響。

（2）常溫下CH3OH和H2O互相混溶，從合成塔分離出CH3OH， 采用類似于蒸餾的操作原理。

（3）將CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H1=-890.3kJ/mol和2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH2=-571.6kJ/mol依次編為①、②，運用蓋斯定律，②2-①得CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) ΔH=（-571.6kJ/mol）2-（-890.3kJ/mol）=-252.9kJ/mol，則反應的熱化學方程式為CO2(g)+4H2(g) = CH4(g)+2H2O(l) ΔH=-252.9kJ/mol。

II運用蓋斯定律，①-②得，CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) ΔH=（-1214.6kJ/mol）-（+283.0kJ/mol）=-890.3kJ/mol，則CH4燃燒熱的熱化學方程式為CH4(g)+2O2(g) = CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJ/mol。

III（1）運用三段式計算，設反應開始到20min內轉化的CO物質的量為xmol，則

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

n（起始）（mol） 1 2 0

n（轉化）（mol） x 2x x

n（20min末）（mol）1-x 2-2x x

根據恒溫恒容時氣體壓強之比等于物質的量之比，列式=，解得x=0.5，則從反應開始到20min內υ（CO）=0.5mol2L20min=0.0125mol·L-1·min-1。

（2）A項，CO、H2、CH3OH（g）都是無色氣體，顏色不再變化不能說明反應已達平衡，錯誤；B項，由于所有物質都呈氣態，氣體的總質量始終不變，正反應為氣體分子數減小的反應，建立平衡的過程中氣體總物質的量減小，氣體的平均摩爾質量增大，氣體的平均摩爾質量不變表明反應達到平衡狀態，正確；C項，恒溫恒容時氣體壓強之比等于氣體物質的量之比，正反應為氣體分子數減小的反應，建立平衡的過程中氣體總物質的量減小，混合氣的壓強減小，氣體的壓強不變表明達到平衡狀態，正確；D項，由于所有物質都呈氣態，氣體的總質量始終不變，容器的體積不變，混合氣的密度始終不變，混合氣的密度不變不能作為平衡的標志，錯誤；答案選BC。

（3）20min、25min時壓強不變說明已經達到平衡狀態，根據上述計算知平衡時CO、H2、CH3OH（g）的濃度依次為0.25mol/L、0.5mol/L、0.25mol/L，則該溫度下的化學平衡常數K==4。化學平衡常數K只與溫度有關，若達到平衡后加入少量CH3OH(g)，K值不變。

（4）該反應達到平衡后，再向容器中充入1mol CO、2mol H2，相當于增大壓強，平衡正向移動，CO的轉化率增大。