探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.
Ⅱ.
Ⅲ.
回答下列问题:
(1)_________。
(2)一定条件下,向体积为VL的恒容密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应,达到平衡时,容器中CH3OH(g)为ɑ mol,CO为b mol,此时H2O(g)的浓度为__________mol﹒L-1(用含a、b、V的代数式表示,下同),反应Ⅲ的平衡常数为___________。
(3)不同压强下,按照n(CO2):n(H2)=1:3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知:CO2的平衡转化率=
CH3OH的平衡产率=
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图___________(填“甲”或“乙”);压强p1、p2、p3由大到小的顺序为___________;图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点的原因是___________。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为_________(填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压 C.低温、低压 D.高温、高压
+40.9 乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主,反应Ⅲ前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响 A
【分析】
根据盖斯定律计算反应热;利用三个反应,进行浓度和化学平衡常数的计算;结合图形根据勒夏特列原理考虑平衡移动的方向,确定温度和压强变化时,CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率之间的关系得到相应的答案。
【详解】
(1).根据反应I-II=III,则△H3=△H1-△H2=-49.5kJ∙mol-1-(-90.4 kJ∙mol-1)=+40.9 kJ∙mol-1;
(2).假设反应II中,CO反应了xmol,则II生成的CH3OH为xmol,I生成的CH3OH为(a-x)mol,III生成CO为(b+x)mol,根据反应I:,反应II: ,反应III:,所以平衡时水的物质的量为(a-x)mol+(b+x)mol =(a+b)mol,浓度为:;平衡时CO2的物质的量为1mol-(a-x)mol-(b+x)mol=(1-a-b)mol,H2的物质的量为3mol-3(a-x)mol-2x-(b+x)mol=(3-3a-b)mol,CO的物质的量为bmol,水的物质的量为(a+b)mol,则反应III的平衡常数为:;
(3).反应I和II为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则CH3OH的平衡产率减少,所以图甲表示CH3OH的平衡产率,图乙中,开始升高温度,由于反应I和II为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低,反应III为吸热反应,升高温度反应III向正反应方向移动,升高一定温度后以反应III为主,CO2的平衡转化率又升高,所以图乙表示CO2的平衡转化率;压强增大,反应I和II是气体体积减小的反应,反应I和II平衡正向移动,反应III气体体积不变化,平衡不移动,故压强增大CH3OH的平衡产率增大,根据图所以压强关系为:p1>p2>p3;温度升高,反应I和II平衡逆向移动,反应III向正反应方向移动,所以T1温度时,三条曲线交与一点的原因为:T1时以反应III为主,反应III前后分子数相等,压强改变对平衡没有影响;
(4).根据图示可知,温度越低,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大,压强越大,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大,所以选择低温和高压,答案选A。
【点睛】
本题为化学反应原理综合题,考查了盖斯定律、化学平衡常数的计算、勒夏特列原理进行图像的分析,难点为平衡常数的计算,巧用了三个反应的化学方程式,进行了数据的处理,得到反应III的各项数据,进行计算得到平衡常数。
溶解度:
(1)固体物质的溶解度:在一定温度下,某固态物质在100克溶剂里达到饱和状态时所溶解的质量,单位是g,符号用S表示。
表达式:
(2)气体的溶解度定义:指该气体在压强为101kPa,一定温度时,溶解在1体积水中达到饱和状态时气体的体积。
溶解度曲线:
溶解度曲线:
溶解度曲线的意义:
①表示同一种物质在不同温度时的溶解度;
②表示不同物质在同一温度时的溶解度,可以比较同一温度时,不同物质的溶解度的大小。若两种物质的溶解度曲线相交,则在该温度下两种物质的溶解度相等;
③根据溶解度曲线可以确定从饱和溶液中析出晶体或进行混合物分离提纯的方法;
④根据溶解度曲线能进行有关的计算。
溶解度曲线变化规律:
1.大多数固体物质的溶解度随湿度升高而增大,曲线为"陡升型",如硝酸钾。
2.少数固体物质的溶解度受湿度的影响很小,曲线为"缓升型",如氯化钠。
3.极少数固体物质的溶解度随湿度的升高而减小,曲线为"下降型",如氢氧化钙。
4.气体物质的溶解度均随湿度的升高而减小(纵坐标表示体积),曲线也为"下降型",如氧气。
溶解度曲线的应用:
1.查找指定温度时物质的溶解度,并根据溶解度判断溶解性。
2.比较相同湿度时(或一定湿度范围内)不同物质溶解度的大小。
3.比较和确定物质的溶解度受温度影响的程度,并据此确定物质结晶或混合物分离提纯的方法。
4.确定溶液的状态(饱和与不饱和)。
溶解度曲线上的点的意义:
①溶解度曲线上的点表示物质在该点所示温度下的溶解度,溶液所处的状态是饱和溶液。
②溶解度曲线下面的面积上的点,表示溶液所处的状态是不饱和状态,依其数据配制的溶液为对应湿度时的不饱和溶液。
③溶解度曲线上面的面积上的点,依其数据配制的溶液为对应温度时的饱和溶液,且该溶质有剩余。
④两条溶解度曲线的交点,表示在该点所示的温度下,两种物质的溶解度相等。
溶解度的影响因素:
溶解度与温度的关系:
(1)固体物质的溶解度一般随温度的升高而增大,个别物质反常,如Ca(OH)2。
(2)气体物质的溶解度,一般随温度升高而减小,随压强增大而增大。常见的可溶性气体(常温、常压时的体积数):NH3 (700),HCl(0℃时500),HBr、HI亦易溶,SO2(40),C12 (2).H2S(2.6),CO2(1)。难溶气体:H2、CO、NO。有机物中:HCHO易溶,C2H2微溶,CH4、C2H4难溶。
a.大部分固体物质的溶解度随温度的升高而增大,如KNO3、NaNO3等。
b.少数固体物质的溶解度受温度影响很小,如 NaCl。
c.极少数固体物质的溶解度随温度的升高而减小,如 Ca(OH)2
饱和溶液与不饱和溶液、过饱和溶液:
过饱和溶液:一定温度、压力下,当溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度,而溶质仍不析出的现象叫过饱和现象,此时的溶液称为过饱和溶液。
饱和溶液:在一定温度下,向一定量溶剂里加入某种溶质,当溶质不能继续溶解时,所得的溶液叫做这种溶质的饱和溶液。
不饱和溶液:在一定温度下,在一定量的溶剂里,还能再溶解某种物质的溶液叫做这种溶质的不饱和溶液。
有关溶解度的计算:
某温度下,
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