Question

18．為了減少溫室氣體排放，中國政府承諾到2020年我國單位國內生產總值CO₂排放比2005年下降40%-45%．目前工業上有采用CO₂與H₂在CuO-ZnO/ZrO催化下反應制備重要化工原料CH₃OH的工藝：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；△H．為探究其反應原理進行如下實驗，在容積為2L密閉容器內、250℃條件下n（CO₂） 和n（H₂）隨時間的變化情況如下表：

時間（s）	0	1	2	3	4	5
n（CO2）（mol）	0.4	0.35	0.31	0.3	0.3	0.3
n（H2）（mol）	1.2	1.05	n1	n2	n2	n2

達平衡時反應共放熱4.9kJ．根據題目回答下列問題：
（1）n₁=0.93，250℃下，該反應的平衡常數K=13.7；△H=-49kJ/mol．
（2）平衡時CO₂的轉化率是25%．
（3）能說明反應已達平衡狀態的是BC．
A．v（H₂）=3v（CO₂）        B．容器內壓強保持不變
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH）  D．容器內密度保持不變
（4）為使該反應的反應速率增大，且平衡向正反應方向移動的是C．
A．及時分離出產物  B．適當升高溫度  C．增大CO₂濃度    D．選擇高效催化劑
（5）“碳捕捉技術”是指通過一定的方法將工業生產中產生的CO₂分離出來并利用．如可利用NaOH溶液來“捕捉”CO₂，其基本過程如圖所示，過程中用到生石灰（部分條件及物質未標出）．

物質①為NaOH，物質③為CaO，操作②為過濾．整個過程發生的化學反應方程式有：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH．

Answer 1

分析 （1）2s消耗二氧化碳為（0.4-0.31）mol=0.09mol，則消耗氫氣為0.09mol×3=0.27mol，進而計算2s時氫氣物質的量；
3s時到達平衡，消耗二氧化碳為（0.4-0.3）mol=0.1mol，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：0.4     1.2       0        0
變化量（mol）：0.1     0.3       0.1      0.1
平衡量（mol）：0.3    0.9       0.1       0.1
再根據K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算平衡常數；
計算1mol二氧化碳反應放出的熱量，可以得到反應△H；
（2）轉化率=$\frac{物質的量變化量}{起始物質的量}$×100%；
（3）可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達平衡；
（4）A．及時分離出產物，反應速率減慢；
B．正反應為放熱反應，適當升高溫度，平衡逆向移動；
C．增大CO₂濃度，反應速率加快，平衡正向移動；
D．選擇高效催化劑，不影響平衡移動；
（5）捕捉室中用氫氧化鈉吸收二氧化碳得到碳酸鈉，將氧化鈣加入吸收后溶液中得到碳酸鈣與氫氧化鈉，通過過濾分離，氫氧化鈉循環利用，碳酸鈣加熱分解得到氧化鈣與二氧化碳，CaO再循環利用．

解答 解：（1）2s消耗二氧化碳為（0.4-0.31）mol=0.09mol，則消耗氫氣為0.09mol×3=0.27mol，2s時氫氣物質的量n₁=1.2-0.27=0.93；
3s時到達平衡，消耗二氧化碳為（0.4-0.3）mol=0.1mol，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：0.4      1.2       0          0
變化量（mol）：0.1      0.3       0.1        0.1
平衡量（mol）：0.3      0.9       0.1        0.1
容器容積為10L，則平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.01×0.01}{0.03×0.0{9}^{3}}$=13.7，
1mol二氧化碳反應放出的熱量為4.9kJ×$\frac{1mol}{0.1mol}$=49kJ，故反應的△H=-49kJ/mol，
故答案為：0.93；13.7；-49kJ/mol；
（2）二氧化碳轉化率=$\frac{0.1mol}{0.4mol}$×100%=25%，
故答案為：25%；
（3）A．v（H₂）=3v（CO₂），未指明正逆速率，不能說明到達平衡，若分別表示正逆速率，則反應到達平衡，故A錯誤；
B．隨反應進行混合氣體物質的量減小，恒溫恒容下壓強減小，容器內壓強保持不變，說明到達平衡，故B正確；
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH）說明二氧化碳的消耗速率與生成速率相等，反應到達平衡，故C正確，
D．混合氣體總質量不變，容器容積不變，容器內密度始終保持不變，故D錯誤，
故選：BC；
（4）A．及時分離出產物，平衡正向移動，但反應速率減慢，故A錯誤；
B．適當升高溫度，反應速率加快，正反應為放熱反應，平衡逆向移動，故B錯誤；
C．增大CO₂濃度，反應速率加快，平衡正向移動，故C正確；
D．選擇高效催化劑，可以加快反應速率，但不影響平衡移動，故D錯誤，
故選：C；
（5）捕捉室中用氫氧化鈉吸收二氧化碳得到碳酸鈉，將氧化鈣加入吸收后溶液中得到碳酸鈣與氫氧化鈉，通過過濾分離，氫氧化鈉循環利用，碳酸鈣加熱分解得到氧化鈣與二氧化碳，CaO再循環利用，則：
物質①為NaOH，物質③為CaO，操作②為過濾，整個過程發生的化學反應方程式有：
2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH
故答案為：NaOH；CaO；過濾；2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡狀態判斷、化學工藝流程等，是對學生綜合能力的考查，難度中等．