Question

8．隨著人類對溫室效應和資源短缺等問題的重視，如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了各國的普遍重視．目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產燃料甲醇．為探究反應原理，現進行如下實驗，在485℃時，在體積為1L的密閉容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應合成甲醇：
（1）請完成CO₂和3mol H₂反應合成甲醇的熱化學方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-49.0kJ/mol
（2）測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．
①從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
②該反應的平衡常數表達式為$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$．
③據圖中提供的數據計算在該溫度下的K值．要有計算過程．（保留三位有效數字）
（3）能判斷該反應是否達到化學平衡狀態(tài)的依據是A、B、F（多選扣分）
A．容器中壓強不變的狀態(tài)                  B．混合氣體中c（CO₂）不變的狀態(tài)
C．V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）                    D．混合氣體的密度保持不變的狀態(tài)
E．用CO₂、H₂、CH₃OH的物質的量濃度變化表示的反應速率的比為1：3：1的狀態(tài)F．混合氣體的平均相對分子質量不再改變的狀態(tài)
（4）下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是C、D．
A．升高溫度                  B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離     D．再充入1mol CO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）依據原子守恒確定物質為水，該制備在485℃時發(fā)生反應合成甲醇生成的水為氣體；
（2）①圖象分析計算甲醇的反應速率，根據反應速率之比等于化學方程式計量數之比計算得到氫氣表示的反應速率；
②平衡常數=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
③結合化學三行計算列式計算平衡狀態(tài)下各物質的平衡濃度，通過平衡常數的概念平衡常數=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$，計算得到平衡常數；
（3）根據化學平衡狀態(tài)的特征解答，當反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發(fā)生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態(tài)；
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$應采取措施，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+？，反應前后原子守恒，則未知物質含有2個H原子和1個氧原子，物質為水，在485℃時，在體積為1L的密閉容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應合成甲醇和氣體水，則熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
故答案為：H₂O（g）；
（2）①圖象可知反應達到平衡狀態(tài)時甲醇生成濃度=0.75mol/L，所以甲醇表示的反應速率v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min，反應速率之比等于化學方程式計量數之比，v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/L•min=0.225mol/L•min，
故答案為：0.225；   
②依據化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反應的平衡常數K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$
故答案為：$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$；
③圖象可知，二氧化碳起始量濃度為1.00mol/L，平衡狀態(tài)下二氧化碳濃度為0.25mol/L，甲醇平衡濃度為0.75mol/L，
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1        3           0         0
變化量（mol/L） 0.75    2.25      0.75      0.75
平衡量（mol/L） 0.25    0.75       0.75      0.75
平衡常數K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$L²/mol²=5.33L²/mol²，
故答案為：5.33L²/mol²；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，反應是氣體體積減小的放熱反應，依據化學平衡移動原理分析選項，變量不變說明反應達到平衡狀態(tài)，
A．反應前后氣體物質的量變化，當容器中壓強不變說明反應達到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．混合氣體中c（CO₂）不變的狀態(tài)是平衡標志，故B正確；
C．反應速率之比等于化學方程式計量數之比，當3V_逆（H₂O）=V_正 （H₂）時說明水的正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態(tài)，但V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；
D．反應前后氣體質量和體積不變，反應過程中和平衡狀態(tài)下混合氣體的密度始終保持不變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故D錯誤；
E．速率之比等于化學方程式計算之比為正反應的速率之比，用CO₂、H₂、CH₃OH的物質的量濃度變化表示的反應速率的比為1：3：1的狀態(tài)，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故E錯誤；
F．反應前后氣體質量不變，氣體物質的量變化，當混合氣體的平均相對分子質量不再改變，說明反應達到平衡狀態(tài)，故F正確；
故答案為：A、B、F；      
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$應采取措施，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A、該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$減小，故A錯誤，
B、充入He（g），使體系壓強增大，容器的容積不變，反應混合物的濃度不變，平衡不移動，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不變，故B錯誤，
C、將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正確，
D、再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故D正確；
故答案為：C、D．

點評 本題考查反應速率計算、化學平衡常數的計算，反應速率、平衡狀態(tài)影響因素、平衡狀態(tài)分析判斷，熱化學方程式書寫，難度中等，注意基礎知識的掌握．