Question

【題目】當(dāng)溫度高于 500 K 時(shí)，科學(xué)家成功利用二氧化碳和氫氣合成了乙醇，這在節(jié)能減排、降低碳排放方面具有重大意義。

(1)該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________；其平衡常數(shù)表達(dá)式為K＝________。

(2)在恒容密閉容器中，判斷上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)是________。

a．體系壓強(qiáng)不再改變 b．H2的濃度不再改變 c．氣體的密度不隨時(shí)間改變 d．單位時(shí)間內(nèi)消耗 H2和 CO2的物質(zhì)的量之比為 3∶1

(3)已知：1 g 氫氣完全燃燒生成液態(tài)水，放出 143 kJ 熱量；23 g 乙醇完全燃燒生成液態(tài)水和二氧化碳，放出 650 kJ 熱量，則氫氣和乙醇的燃燒熱的比值為________。(要求計(jì)算出數(shù)值)

(4)在一定壓強(qiáng)下，測(cè)得由 CO2制取 CH3CH2OH 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，起始投料比、溫度與 CO2的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖所示，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)

①降低溫度，平衡向________方向移動(dòng)。

②在 700 K、起始投料比 n(H2)/n(CO2)＝1.5 時(shí)，H2的轉(zhuǎn)化率為________。

③在 500 K、起始投料比n(H2)/n(CO2)＝2 時(shí)， 達(dá)到平衡后 H2的濃度為a mol·L－1，則達(dá)到平衡時(shí) CH3CH2OH 的濃度為________。

Answer 1

【答案】2CO2 +6H2C2H5OH+3H2O c(C2H5OH)·c3(H2O)/[c6(H2)·c2(CO2)] ab 0.22 正反應(yīng) 40% 1.5a mol/L

【解析】

(1)根據(jù)二氧化碳和氫氣在高于500K時(shí)合成了乙醇及原子守恒書寫化學(xué)方程式，化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積與各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計(jì)量數(shù)次冪的乘積的比值解題；

(2)在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，由此衍生的一些物理量也不變，所有物質(zhì)均為氣體，故在恒容狀態(tài)下氣體的密度恒為定值，根據(jù)化學(xué)方程式可知，任何單位時(shí)間內(nèi)消耗H2和CO2的物質(zhì)的量之比均為3:1，以此分析；

(3)根據(jù)在25℃，101kPa時(shí)，lmol某物質(zhì)完全燃燒時(shí)生成穩(wěn)定產(chǎn)物的反應(yīng)熱，稱為該物質(zhì)的燃燒熱，分別寫出氫氣和乙醇燃燒的熱化學(xué)方程式，并進(jìn)行計(jì)算；

(4)①由圖可知，橫坐標(biāo)為投料比，縱坐標(biāo)為CO2的轉(zhuǎn)化率，曲線為等溫線，則相同投料比時(shí)溫度低對(duì)應(yīng)的CO2的轉(zhuǎn)化率大，以此分析①；②由圖可知，在700K，起始投料比n(H2)/n(CO2)=1.5時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為20%，令CO2、H2的起始物質(zhì)的量分別為1mol、1.5mol，轉(zhuǎn)化的二氧化碳為0.2mol，根據(jù)化學(xué)方程式可知轉(zhuǎn)化的氫氣為0.6mol，進(jìn)而計(jì)算H2的轉(zhuǎn)化率；③設(shè)起始時(shí)c(CO2)=xmol·L-1，則起始時(shí)c(H2)=2xmol·L-1，利用三段式分析解答。

(1)該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)；該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=c(C2H5OH)·c3(H2O)/[c6(H2)·c2(CO2)]；

(2)a、該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)體系的壓強(qiáng)不再改變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a符合題意；

b、H2的濃度不再改變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故b符合題意；

c、由于在500K時(shí)，所有物質(zhì)均為氣體，故在恒容狀態(tài)下氣體的密度恒為定值，密度不變不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c不符合題意；

d、根據(jù)化學(xué)方程式可知，任何單位時(shí)間內(nèi)消耗H2和CO2的物質(zhì)的量之比均為3:1，故d不符合題意；

綜上所述，本題應(yīng)選ab；

(3)由題給信息可分別寫出氫氣和乙醇燃燒熱表示的熱化學(xué)方程式：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)△H=-286kJ/mol、CH3CH2OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1300kJ/mol，從而可求得氫氣和乙醇的燃燒熱的比值為286kJ/mol:1300kJ/mol=0.22；

(4)①由圖可知，橫坐標(biāo)為投料比，縱坐標(biāo)為CO2的轉(zhuǎn)化率，曲線為等溫線，則相同投料比時(shí)溫度低對(duì)應(yīng)的CO2的轉(zhuǎn)化率大，即降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；

②由圖可知，在700K，起始投料比n（H2）/n（CO2）=1.5時(shí)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率為20%，令CO2、H2的起始物質(zhì)的量分別為1mol、1.5mol，轉(zhuǎn)化的二氧化碳為1mol×20%=0.2mol，根據(jù)化學(xué)方程式可知轉(zhuǎn)化的氫氣為0.2mol×3=0.6mol，H2的轉(zhuǎn)化率為0.6mol÷1.5mol×100%=40%；

③設(shè)起始時(shí)c(CO2)=xmol·L-1，則起始時(shí)c(H2)=2xmol·L-1，有

2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)

起始(mol/L) x 2x 0 0

轉(zhuǎn)化(mol/L) 0.6x 1.8x 0.3x 0.9x

平衡(mol/L) 0.4x 0.2x 0.3x 0.9x

0.2x=a，得x=5a，平衡時(shí)c(CH3CH2OH)=0.3xmol·L-1=1.5amol·L-1。