近年,甲醇的制取與應(yīng)用在全球引發(fā)了關(guān)于“甲醇經(jīng)濟(jì)”的廣泛探討。二氧化碳加氫制甲醇已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),在某CO
2催化加氫制CH
3OH的反應(yīng)體系中,發(fā)生的主要反應(yīng)如下:
Ⅰ.CO
2(g)+3H
2(g)?CH
3OH(g)+H
2O(g)ΔH
1<0
Ⅱ.CO
2(g)+H
2(g)?CO(g)+H
2O(g)ΔH
2>0
回答下列問題:
(1)表中數(shù)據(jù)是該反應(yīng)中的相關(guān)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓(ΔfH
wθ)數(shù)據(jù):
物質(zhì) |
H2(g) |
CO2(g) |
CH3OH(g) |
H2O(g) |
ΔfHmθ/(kJ?mol-1) |
0 |
-394 |
-201 |
-240 |
標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓是指在298.15K、100kPa,由穩(wěn)定態(tài)單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的焓變。則ΔH
1=
-47kJ?mol-1
-47kJ?mol-1
,反應(yīng)Ⅰ的熱力學(xué)趨勢較小,原因是
放熱少,且熵減
放熱少,且熵減
。
(2)下列能說明反應(yīng)Ⅰ一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是
D
D
(填標(biāo)號)。
A.v
正(CO
2)=3v
逆(H
2)
B.平衡常數(shù)不再發(fā)生變化
C.混合氣體的密度不再發(fā)生變化
D.混合氣體中H
2O(g)的百分含量保持不變
(3)將平均相對分子質(zhì)量為16的CO
2和H
2的混合氣體充入一恒容密閉容器中,在化劑作用下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ,已知反應(yīng)Ⅱ的反應(yīng)速率v
正=k
正?x(CO
2)?x(H
2),v
逆=k
逆?x(CO
2)?x(H
2O),k
正,k
逆為速率常數(shù),x為物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。
①當(dāng)CO
2轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%時(shí),反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),這時(shí)CO
2和H
2的體積分?jǐn)?shù)相同,若反應(yīng)Ⅱ的k
正=20mol?L
-1?s
-1,平衡時(shí)反應(yīng)Ⅱ的v
逆=
0.89
0.89
mol?L
-1?s
-1;
②Arrhenius經(jīng)驗(yàn)公式為Rlnk=
+C,其中E
a為活化能,T為熱力學(xué)溫度,k為速率常數(shù),R和C為常數(shù),則ΔH
2=
-TRlnk正/k逆
-TRlnk正/k逆
kJ?mol
-1(用含k
正、k
逆、T、R的代數(shù)式表示);
③由實(shí)驗(yàn)測得,隨著溫度的逐漸升高,平衡時(shí)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量幾乎又變回16,原因是
反應(yīng)I為放熱反應(yīng),反應(yīng)Ⅱ?yàn)槲鼰岱磻?yīng),當(dāng)溫度升高時(shí),以反應(yīng)Ⅱ?yàn)橹?,反?yīng)Ⅱ是等體積反應(yīng),反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相等,發(fā)生反應(yīng)Ⅱ氣體平均相對分子質(zhì)量不變
反應(yīng)I為放熱反應(yīng),反應(yīng)Ⅱ?yàn)槲鼰岱磻?yīng),當(dāng)溫度升高時(shí),以反應(yīng)Ⅱ?yàn)橹?,反?yīng)Ⅱ是等體積反應(yīng),反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相等,發(fā)生反應(yīng)Ⅱ氣體平均相對分子質(zhì)量不變
。
(4)其他條件相同時(shí),反應(yīng)溫度對CH
3OH選擇性的影響如圖所示。由圖可知,溫度相同時(shí)CH
3OH選擇性的實(shí)驗(yàn)值略高于其平衡值,可能的原因是
在該條件下反應(yīng)I的速率大于反應(yīng)II,單位時(shí)間內(nèi)生成甲醇的量比生成CO的量多
在該條件下反應(yīng)I的速率大于反應(yīng)II,單位時(shí)間內(nèi)生成甲醇的量比生成CO的量多
。