Question

工業上可以利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，其反應方程式為：CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O．請回答下列問題：
（1）已知常溫常壓下下列反應的能量變化如圖1所示：

寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學方程式

 

．該反應的△S

 

0（填“＞”或“＜”或“=”），在

 

情況下有利于該反應自發進行．
（2）如果上述反應方程式的平衡常數K值變大，則該反應

 

（選填編號）．
A．一定向正反應方向移動    B．在平衡移動時正反應速率先增大后減小
C．一定向逆反應方向移動    D．在平衡移動時逆反應速率先減小后增大
（3）如果上述反應在體積不變的密閉容器中發生，能說明反應已達到平衡狀態的是

 

（選填編號）．
A．3v_正（H₂）═v_逆（CO₂）      
B．C（H₂）═C（CO₂）
C．容器內氣體的密度不變
D．容器內壓強不變
（4）若反應的容器容積為2.0L，反應時間4.0min，容器內氣體的密度減小了2.0g/L，在這段時間內C0₂的平均反應速率為

 

．反應在t₁時達到平衡，過程中c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線圖2所示．保持其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，請畫出t₁后c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線（t₂達到新的平衡）．

Answer 1

考點：化學平衡狀態的判斷,反應熱和焓變,反應速率的定量表示方法,化學平衡的影響因素

專題：有機化學基礎

分析：（1）根據圖1中能量變化寫出反應的熱化學方程式，然后根據蓋斯定律寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學方程式；根據反應前后氣體體積的變化判斷△S；△G=△H-T?△S進行判斷，如△G＜0，則反應能自發進行，如△G＞0，則不能自發進行；
（2）平衡常數只受溫度的影響，該反應為放熱反應，平衡常數增大，則平衡向著正向移動，說明降低了溫度，據此進行解答；
（3）可逆反應達到平衡狀態，一定滿足正逆反應速率相等，根據化學平衡狀態的特征進行判斷；
（4）根據氣體密度的變化計算出反應消耗的二氧化碳的物質的量，再計算出二氧化碳的平均反應速率；根據壓強對反應速率的影響畫出t₁后c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線．

解答： 解：（1）圖1中的熱化學方程式為①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，
依據蓋斯定律②-①得：二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
該反應前后氣體體積減小，則△S＜0；
△G=△H-T?△S＜0時，反應能夠自發進行，由于該反應為放熱反應，△H＜0，而△S＜0，則溫度降低時△G＜0，該反應自發進行，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；＜；低溫；
（2）如果反應方程式CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O的平衡常數K值變大，則需要降低溫度，
A．降低溫度，平衡一定向著正向移動，故A正確；
B．降低溫度后，正逆反應速率都減小，正反應速率在達到平衡前始終在減小，故B錯誤；
C．平衡常數變大，反應物濃度減小，生成物濃度增大，則化學平衡一定向著正向移動，故C錯誤；    
D．化學平衡常數變大，需要降低溫度，則正逆反應速率都減小，由于平衡向著正向移動，則逆反應速率先減小后增大，故D正確；
故答案為：AD；
（3）A．3v_正（H₂）═v_逆（CO₂），表示的是正逆反應速率，但是不滿足化學計量數關系，說明該反應沒有達到平衡狀態，故A錯誤；      
B．c（H₂）═c（CO₂），氫氣與二氧化碳濃度相等，不能說明正逆反應速率相等，無法判斷是否達到平衡狀態，故B錯誤；
C．容器內氣體的密度不變，該反應是氣體質量減小的反應，反應過程中氣體的質量不斷減小，密度不斷減小，當密度不變時，則反應達到平衡狀態，故C正確；
D．該反應是氣體體積縮小的反應，反應達到平衡前容器內壓強不斷減小，當容器內壓強不變，則表明各組分濃度不變，反應達到平衡狀態，故D正確；
故答案為：CD；
（4）若反應的容器容積為2.0L，反應時間4.0min，容器內氣體的密度減小了2.0g/L，則氣體減小的質量為：2.0g/L×2.0L=4.0g，
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l） 氣體減少質量△m
1mol                                    50g
 n                                     4.0g
反應消耗的二氧化碳的質量為：m=

1mol×4.0g

50g

=0.08mol，
在4min內C0₂的平均反應速率為：

0.08mol 2L

4min

=0.01mol．L^-1；
保持其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，t₁時二氧化碳的濃度立刻增大為原先的2倍，即由0.025mol變為0.05mol，之后平衡向著正向移動，二氧化氮濃度減小，直至t₂時達到新的平衡，t₂時二氧化碳的濃度一定大于0.025mol，則t₁后c（CO₂）隨時間t變化趨勢曲線為：，

故答案為：0.01mol．L^-1．min^-1；．

點評：本題考查了熱化學方程式的書寫、化學反應速率的計算、化學平衡狀態的判斷等知識，題目難度較大，試題涉及的知識點較多，充分考查了學生對所學知識的掌握情況，試題有利于培養學生的分析、理解能力及化學計算能力．