Question

【題目】由CO2制備甲醇過(guò)程可能涉及反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g) +H2O(g) △H1=－49.58 kJmol-1

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+ H2(g) CO (g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2 H2(g) CH3OH(g) △H 3=－90.77 kJmol-1

回答下列問(wèn)題：

（1）反應(yīng)Ⅱ的△H2= ，反應(yīng)Ⅲ自發(fā)進(jìn)行條件是 （填“低溫”、“高溫”或“任何溫度”）。

（2）某研究小組將一定量的H2和CO2充入恒容密閉容器中，在合適的催化劑條件下發(fā)生了反應(yīng)I、Ⅱ、Ⅲ，不同溫度下體系達(dá)到平衡時(shí)測(cè)得CO2的轉(zhuǎn)化率（a）及CH3OH的產(chǎn)率（b）變化如圖1所示。

①該反應(yīng)達(dá)到平衡后，為再提高反應(yīng)速率同時(shí)提高甲醇的生成量，可采取的措施有 。

A改用高效催化劑 B升高溫度 C縮小容器體積 D分離出甲醇 E增加CO2的濃度

②據(jù)圖1，當(dāng)溫度高于260℃時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高繼續(xù)增加，而CH3OH的產(chǎn)率卻反而下降，請(qǐng)說(shuō)明理由 。

（3）已知：在2L恒容密閉容器中充入3mol H2和1.5mol CO2（一定條件下，僅考慮發(fā)生反應(yīng)Ⅰ），實(shí)驗(yàn)測(cè)得在不同溫度下，反應(yīng)體系中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：在500K時(shí)，反應(yīng)Ⅰ經(jīng)10min時(shí)達(dá)到平衡，假如其他條件不變，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行到3min時(shí)，迅速將反應(yīng)溫度升至600K進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出3～10min內(nèi)容器中CH3OH濃度的后續(xù)變化總趨勢(shì)圖。

Answer 1

【答案】（1）△H 2=+41.19 kJmol-1（2分）低溫（1分）

（2）①CE（2分） ②說(shuō)明溫度高于260℃時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化更有利于生成CO（1分）。因?yàn)椋?/span>反應(yīng)I為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO2轉(zhuǎn)化為甲醇（反應(yīng)的I活化能較低）（1分）；反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高有利CO2轉(zhuǎn)化為CO（反應(yīng)II的活化能較高）（1分）

（3）（2分：評(píng)分要點(diǎn)：起點(diǎn)連續(xù)，終點(diǎn)在0.315左右，且要在10min之前達(dá)到平衡出現(xiàn)平臺(tái)）

【解析】

試題分析：（1）反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g) +H2O(g) △H1=－49.58 kJmol-1，反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+ H2(g) CO (g)+H2O(g) △H2，反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2 H2(g) CH3OH(g) △H 3=－90.77 kJmol-1，根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅱ=反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅲ，所以△H2=△H1-△H3=49.58kJ·mol-1-（-90kJ·mol-1）=+41.19 kJmol-1；反應(yīng)Ⅲ為熵減的反應(yīng)，△S<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△G=△H-T△S，所以要自發(fā)進(jìn)行需要在較低溫度下進(jìn)行。

（2）①A．改用高效催化劑，能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的水解，但是不影響平衡的移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量不變，錯(cuò)誤；B．升高溫度，加快反應(yīng)速率，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡逆向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量減小，B錯(cuò)誤；C．縮小容器體積，增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，C正確；D．分離出甲醇，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，但反應(yīng)速率減慢，C錯(cuò)誤；E．增加CO2的濃度，可以加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，E正確，答案選CE。

②當(dāng)溫度高于260℃時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高繼續(xù)增加，而CH3OH的產(chǎn)率卻反而下降，說(shuō)明溫度高于260℃時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化更有利于生成CO。因?yàn)椋?/span>反應(yīng)I為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO2轉(zhuǎn)化為甲醇（反應(yīng)的I活化能較低）；反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高有利CO2轉(zhuǎn)化為CO（反應(yīng)II的活化能較高）。

（3）3min時(shí)未到達(dá)平衡，此時(shí)迅速將體系溫度升至600K，瞬間甲醇的濃度不變，反應(yīng)速率加快，到達(dá)平衡的時(shí)間小于10min，而在溫度為600K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2，平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率約是42%，則平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量約是1.5mol×42%=0.63mol，則平衡時(shí)甲醇的濃度約是0.315mol/L，3～10min內(nèi)容器中CH3OH濃度的變化趨勢(shì)曲線為：