Question

12．環境問題正引起全社會的關注，CO、CO₂的應用對構建生態文明社會有重要意義．
（Ⅰ）工業上可以利用 CO為原料制取CH₃OH．
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
（1）試寫出由CO和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol．
（2）該反應能自發進行的條件是低溫．
（3）某溫度下（1）對應的反應平衡常數K=0.25，若改變條件D（填字母，下同），可使 K=2.04．
A．增大壓強    B．增大CO 的濃度    C．升高溫度  D．降低溫度E．使用催化劑
（Ⅱ）工業上也可以利用 CO₂為原料制取CH₃CH₂OH．下面為CO₂和H₂制取乙醇的反應：2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=QkJ/mol （Q＞0）在密閉容器中，按CO₂與H₂的物質的量之比為 1：3進行投料，在5MPa下測得不同溫度下平衡體系中各種物質的體積分數（y%）如圖1所示．
完成下列填空：

（1）表示CH₃CH₂OH體積分數曲線的是b（選填圖中序號）．
（2）在一定溫度下反應達到平衡的標志是BC．
A．平衡常數 K不再增大
B．CO₂的轉化率不再增大
C．混合氣體的平均相對分子質量不再改變
D．反應物不再轉化為生成物
（3）其他條件恒定，如果想提高CO₂的反應速率，可以采取的反應條件是B（選填編號）；
達到平衡后，能提高 H₂轉化率的操作是C．
A．降低溫度B．充入更多的 H₂C．移去乙醇      D．增大容器體積
（4）圖1中曲線a和c的交點R對應物質的體積分數y_R=37.5%
（Ⅲ）一定條件下CO可轉化成CO₂．溫度 T1 時，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），在一體積為 2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4mol 的H₂，第4分鐘達到平衡，反應中c（H₂O）的變化情況如圖2所示．在第5分鐘時向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），第8分鐘達到平衡，請在圖2中畫出5到9分的c（H₂O）濃度變化趨勢的曲線．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）反應自發進行的判斷依據是△H-T△S＜0；
（3）平衡常數隨溫度變化，某溫度下，（1）中反應的平衡常數K=0.25，改變下述條件可使K=2.04，說明改變溫度平衡正向進行；
（Ⅱ）（1）該反應為吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，平衡時CO₂與H₂的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O的含量增大．開始CO₂ 與H₂ 的物質的量之比1：3進行，平衡時H₂的含量是CO₂的含量三倍；CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
（2）化學反應達到化學平衡狀態時，正逆反應速率相等，且不等于0，各物質的濃度不再發生變化，由此衍生的一些物理量不發生變化，以此進行判斷，得出正確結論；
（3）根據外界條件對反應速率的影響分析判斷，降低溫度、減小濃度、減小壓強等都減小反應速率；
（4）R點為a和c的交點，設此時a的H₂O體積為V，那么c的H₂體積也為V，根據方程式中的關系求出CO₂和CH₃CH₂OH的體積，再求體積分數y_a；
（Ⅲ）在體積為2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4molH₂，第4分鐘達到平衡，水的濃度為0.1mol/L，在第5分鐘時，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，曲線起始時水的濃度為0.2mol/L，隨反應進行第8分鐘達到平衡，此時水的濃度結合化學平衡常數計算得到，據此畫出曲線的變化；

解答 解：（1）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
蓋斯定律計算①-②得到由CO和H₂制取甲醇的熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol；
（2）CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol，反應的焓變△H＜0，△S＜0，滿足△H-T△S＜0的自發進行的反應條件為低溫；
故答案為：低溫；
（3）平衡常數隨溫度變化，某溫度下，（1）中反應的平衡常數K=0.25，改變下述條件可使K=2.04，說明改變溫度平衡正向進行，鈣反應是放熱反應，實驗降低溫度平衡正向進行，故選D；
故答案為：D．
（Ⅱ）：（1）該反應為吸熱反應，升高溫度平衡正向移動，平衡時CO₂與H₂的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O的含量增大．開始CO₂ 與H₂ 的物質的量之比1：3進行，平衡時H₂的含量是CO₂的含量三倍；CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
曲線a、曲線b隨溫度升高含量增大，且曲線a的含量高，所以曲線a表示H₂O、曲線b表示CH₃CH₂OH；
曲線c、曲線d隨溫度升高含量減小，且曲線c的含量高，所以曲線c表示H₂、曲線d表示CO₂．
故答案為：b；
（2）A．平衡常數K只與溫度有關，與是否達到平衡狀態無關，故A錯誤；
B．CO₂的轉化率不再增大，說明達到平衡狀態，故B正確；
C．平均分子量=$\frac{總重量}{總物質的量}$，總質量不變，總物質的量會變，故混合氣體的平均相對分子質量不再改變可作為判斷是否達到化學平衡狀態的依據，故C正確；
D．該反應是可逆反應，不存在反應物不再轉化為生成物的狀態，故D錯誤；
故答案為：BC；
（3）A．降低溫度，二氧化碳反應速率減小，平衡逆向移動，氫氣的轉化率降低；
B．充入更多的H₂，二氧化碳反應速率增大，平衡正向移動，氫氣的轉化率降低；
C．移去乙醇，二氧化碳反應速率減小，平衡正向移動，氫氣的轉化率增大；
D．增大容器體積，壓強減小，二氧化碳反應速率減小，平衡逆向移動，氫氣的轉化率降低；
故提高CO₂的反應速率，可以采取的反應條件是B；能提高H₂轉化率的操作是C；
故答案為：B；C；
（4）2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）；
R點為a和c的交點，設此時a的H₂O體積為6V，那么c的H₂體積也為6V，根據方程式可知CO₂為$\frac{6V}{6}$=2V，C₂H₅OH為$\frac{6V}{3}$=2V，
所以R點對應的體積分數y_a=$\frac{6V}{6V+6V+2V+2V}$×100%=37.5%，
故答案為：37.5；
（Ⅲ）在體積為2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4molH₂，第4分鐘達到平衡，水的濃度為0.1mol/L，在第5分鐘時，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，曲線起始時水的濃度為0.2mol/L，隨反應進行第8分鐘達到平衡，此時水的濃度，結合平衡常數計算得到；
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始量（mol/L）  0      0        0.2     0.2
變化量（mol/L）  0.1    0.1      0.1      0.1
平衡量（mol/L）  0.1    0.1      0.1     0.1
平衡常數K=1
 在第5分鐘時，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，起始量為0.2mol/L．結合化學平衡三段式列式計算，設得到平衡消耗水物質的量濃度為x
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始量（mol/L）  0.2     0.2      0.1    0.1
變化量（mol/L）  x        x        x       x
平衡量（mol/L） 0.2-x     0.2-x   0.1+x    0.1+x
K=$\frac{（0.1+x）^{2}}{（0.2-x）^{2}}$=1
x=0.05mol/L
平衡后水的平衡濃度為0.2mol/l-0.05mol/L=0.15mol/L，據此畫出圖象為：，
故答案為：；

點評 本題考查熱化學方程式書寫，化學平衡影響因素分析，反應速率、反應平衡常數的計算，對圖象的分析與平衡移動及平衡狀態的特征的理解，難度較大，注意圖象起點、終點和過程中變化趨勢是畫圖象的關鍵．