Question

【題目】費托合成是以合成氣(CO 和 H2 混合氣體)為原料在催化劑和適當條件下合成烯烴(C2~C4)以及烷烴(CH4、C5~C11、C12~C18 等，用Cn H2n+2 表示)的工藝過程。

已知：① 2CO(g) +O2(g) =2CO2 (g) △H1 =a

②2H2(g) + O2(g)=2H2O(g) △H2 =b

③

回答下列問題：

(1)反應(2n +1)H2 (g)+nCO(g)=CnH2n+2(g)+nH2O(g)的 △H_____。(用含有a、b、c、n 的式子表示)

(2)費托合成產(chǎn)物碳原子分布遵循 ASF 分布規(guī)律。碳鏈增長因子(α)是描述產(chǎn)物分布的重要參數(shù)，不同數(shù)值對應不同的產(chǎn)物分布。ASF 分布規(guī)律如圖，若要控制 C2~C4 的質量分數(shù) 0.48~0.57，則需控制碳鏈增長因子(α)的范圍是________。

(3)近期，我國中科院上海高等研究院在費托合成烴的催化劑上取得重大進展。如圖所示，Co2C作催化劑的規(guī)律是：選擇球形催化劑時_____，選擇平行六面體催化劑時_____。

(4)中科院大連化物所研究團隊直接利用CO2 與H2 合成甲醇。一定條件下，向 2L 恒容密閉容器中充入1molCO2和 2mol H2發(fā)生反應“CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H”。CO2 的平衡轉化率(α)與溫度(T)的關系如圖所示。

①判斷△H_______0。(填“大于”“小于”或“等于”)

②500 K 時，反應 5 min 達到平衡。計算 0~5 min 用H2O 表示該反應的化學反應速率為_________，該反應的平衡常數(shù)為__________。

③500 K 時，測定各物質的物質的量濃度分別為 c(CO2)=0.4 mol/L、c(H2) = 0.2 mol/L、c(CH3OH) = 0.6 mol/L、c(H2O) = 0. 6 mol/L，此時反應____ (填“是”或“否”) 達到平衡，理由是_____ 。

④一定條件下，對于反應 CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)。下列說法中不能表明反應達到平衡的是_____。

a.恒溫恒容下，c(CH3OH)=c(H2O)

b.恒溫恒容下，體系的壓強保持不變

c.恒溫恒容下，體系的平均摩爾質量不變

d.相同時間內，斷裂 H－H 鍵和斷裂 H－O 鍵之比 1：1

Answer 1

【答案】 0.3~0.6 主要產(chǎn)物為CH4 產(chǎn)物有CH2=CH2、C3H6、C4H8 小于 0.06 mol/(L ·min) 450(mol/L)-2 否 ≠450 a

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律解答；

(2)由圖可知要控制C2~C4的質量分數(shù)0.48~0.57是對應的數(shù)值范圍；

(3)根據(jù)圖示球棍模型的比例判斷產(chǎn)物的分子式；

(4) ①右圖可知隨著溫度升高CO2的平衡轉化率降低，平衡逆向移動分析；

②根據(jù)計算；

③列 “三段式”，求算500K時平衡常數(shù)，比較Qc與平衡常數(shù)的大小判斷；

④根據(jù)達到平衡狀態(tài)時的特點分析。

(1)已知：① 2CO(g) +O2(g) =2CO2 (g) △H1 =a

②2H2(g) + O2(g)=2H2O(g) △H2 =b

③

根據(jù)蓋斯定律：×①+×②-③，可得反應(2n+1)H2(g)+nCO(g)=Cn(g)+nH2O(g)的△H=；

(2)由圖可知要控制C2~C4的質量分數(shù)0.48~0.57需控制碳鏈增長因子(α)的范圍是0.3~0. 6；

(3)CO2C作催化劑的規(guī)律是：選擇球形催化劑時主要產(chǎn)物為CH4，選擇平行六面體催化劑時產(chǎn)物有CH2 =CH2、CH2 = CHCH3、CH2=CHCH2CH3或C2H4、C3H6、C4H8。

(4)①右圖可知隨著溫度升高CO2的平衡轉化率降低，故△H小于0。

②500 K 時，二氧化碳轉化率為60%，即參與反應的物質的量為0.6mol，根據(jù)反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，水蒸氣的變化物質的量為0.6mol，則=0.06 mol/(L·min)。

③初始時刻， CO2和H2的物質的量濃度分別為0.5mol/L、1 mol/L，500 K 時，二氧化碳轉化率為60%，列“三段式”：

，代入數(shù)據(jù)；≠，反應未達到平衡狀態(tài)；

④反應CO2(g)+ 3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)氣體分子數(shù)減小。

a．若平衡正向建立必有c(CH3OH)=c(H2O)，不能表明反應已達平衡，故a錯誤；

b．恒溫恒容下，壓強p~n，n必然變化，當p不變，表明反應已達平衡，故b正確；

c．反應物、產(chǎn)物均為氣體，氣體質量不變，n減小(增大)，M=即M必然變化，當M不變，表明反應已達平衡，故c正確；

d．斷裂H－H鍵(v正)斷裂H－O鍵(v逆)1∶1，v正= v逆，表明反應已達平衡，故d正確；

答案選a。