Question

14．“潔凈煤技術”研究在世界上相當普遍，科研人員通過向地下煤層氣化爐中交替鼓入空氣和水蒸氣的方法，連續產出了高熱值的煤炭氣，其主要成分是CO和H₂．CO和H₂可作為能源和化工原料，應用十分廣泛．生產煤炭氣的反應之一是：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）-131.4kJ．
（1）在容積為3L的密閉容器中發生上述反應，5min后容器內氣體的密度增大了0.12g/L，用H₂O表示0～5miin的平均反應速率為0.002mol/（L•min）．
（2）能說明該反應已達到平衡狀態的是bd（選填編號）．
a．v_正（C）=v_逆（H₂O）    b．容器中CO的體積分數保持不變
c．c（H₂）=c（CO）        d．炭的質量保持不變
（3）若上述反應在t₀時刻達到平衡（如圖1），在t₁時刻改變某一條件，請在圖中繼續畫出t₁時刻之后正反應速率隨時間的變化：
①縮小容器體積，t₂時到達平衡（用實線表示）；
②t₃時平衡常數K值變大，t₄到達平衡（用虛線表示）．
（4）在一定條件下用CO和H₂經如下兩步反應制得甲酸甲酯：
Ⅰ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
Ⅱ．CO（g）+CH₃OH（g）?HCOOCH₃（g）
①反應①中CO的平衡轉化率（α）與溫度、壓強的關系如圖2所示．在不改變反應物用量的情況下，為提高CO的轉化率可采取的措施是降溫、加壓；將甲醇從混合體系中分離出來．
②已知反應①中CO的轉化率為80%，反應②中兩種反應物的轉化率均為85%，則5.04kgCO最多可制得甲酸甲酯4.08kg．

Answer 1

分析 （1）（1）根據反應方程式可知，氣體增加的質量為固體碳的質量，根據m=ρV計算出反應消耗碳的質量，然后根據n=$\frac{m}{M}$計算出其物質的量，最后根據反應方程式及反應速率表達式計算出用H₂O表示0～5miin的平均反應速率；
（2）可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據此進行判斷；
（3）根據影響化學反應速率的因素畫出正反應速率變化的曲線；
（4）①提高CO的轉化率可采取的措施是改變條件促使平衡正向進行；
②結合反應轉化率從質量守恒的角度列式計算．

解答 解：（1）在容積為3L的密閉容器中發生上述反應，5min后容器內氣體的密度增大了0.12g/L，根據反應C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可知，氣體增加的質量為參加反應的固體C的質量，則反應消耗碳的物質的量為：$\frac{0.12g/L×3L}{12g/mol}$=0.03mol，該反應過程中消耗水的物質的量也為0.03mol，則用H₂O表示0～5miin的平均反應速率為：$\frac{\frac{0.03mol}{3L}}{5min}$=0.002mol/（L•min），
故答案為：0.002mol/（L•min）；
（2）a．v_正（C）=v_逆（H₂O）：炭為固體，不存在濃度變化，無法表示反應速率，則無法判斷是否達到平衡狀態，硅a錯誤； 
b．容器中CO的體積分數保持不變，說明各組分的濃度不再變化，已經達到平衡狀態，故b正確；
c．c（H₂）=c（CO），不能判斷正逆反應速率是否相等，則無法判斷是否達到平衡狀態，故c錯誤；        
d．炭的質量保持不變，則說明正逆反應速率相等，該反應已經達到平衡狀態，故d正確；
故答案為：bd；
（3）①t₁時縮小容器體積，反應體系的壓強增大，正逆反應速率都增大，直至t₂時重新達到平衡；
②t₃時平衡常數K增大，說明平衡向著正向移動，說明升高了溫度，之后正反應速率逐漸減小，直至達到新的平衡，
根據以上分析畫出的圖象為：，
故答案為：．
（4）①反應是氣體體積減小的放熱反應，提高CO的轉化率可采取的措施是降溫、加壓、分離出甲醇，
故答案為：降溫、加壓、將甲醇從混合體系中分離出來；
②n（CO）=$\frac{5.04×1{0}^{3}g}{28g/mol}$=180mol，
設用于制備甲醇的CO物質的量為x，用于和甲醇反應的CO為y，
則：x+y=180mol、80%x=y，
解得：x=100mol，y=80mol，
n（HCOOCH₃）=80mol×85%=68mol，
m（HCOOCH₃）=68mol×60g/mol=4.08×10³g=4.08kg，
故答案為：4.08．

點評 本題考查了化學平衡的計算、化學平衡狀態的判斷、化學平衡的影響因素等知識，題目難度中等，明確影響化學反應速率的因素為解答關鍵，試題側重考查學生的分析能力及化學計算能力．