Question

2．工業上一般以CO和H₂為原料在密閉容器中合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），如圖1是該反應在不同溫度下CO的轉化率隨時間變化的曲線．

（1）T₁和T₂溫度下的平衡常數大小關系是K₁＞K₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）由CO合成甲醇時，CO在250℃、300℃、350℃下達到平衡時轉化率與壓強的關系曲線如圖2所示，則曲線c所表示的溫度為350℃．實際生產條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是1.3×10⁴ kPa 下CO 的轉化率已經很高，如果增大壓強，CO 的轉化率提高不大，而生產成本增加很多，得不償失．
（3）以下有關該反應的說法正確的是AD（填序號）．
A．恒溫、恒容條件下，若容器內的壓強不發生變化，則可逆反應達到平衡
B．一定條件下，H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時，可逆反應達到平衡
C．使用合適的催化劑能縮短達到平衡的時間并提高CH₃OH的產率
D．某溫度下，將2molCO和6molH₂充入2L固定容積的密閉容器中，充分反應，達到平衡后測得c（CO）=0.2mol•L^-1，則CO的轉化率為80%
（4）一定溫度下，向2L的固定體積的密閉容器中加入1molCH₃OH（g），發生反應：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），H₂的物質的量隨時間變化的曲線如圖3所示．
該溫度下，反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常數K=4L²•mol^-2．相同溫度下，若開始時加入CH₃OH（g）的物質的量是原來的2倍，則C（填序號）是原來的2倍．
A．CH₃OH的平衡濃度   B．達到平衡的時間     C．平衡時氣體的密度．

Answer 1

分析 （1）圖1分析先拐先平溫度高，T₂＜T₁，結合平衡移動原理分析判斷平衡移動方向確定平衡常數大��；
（2）圖1分析可知，溫度越高一氧化碳轉化率越小，說明正反應為放熱反應，根據壓強對化學反應速率以及化學平衡移動的影響知識結合實際生產過程來回答，從橫坐標上一點，畫一條平行于縱坐標的虛線，看相同壓強下不同溫度時CO的平衡轉化率，溫度越低轉化率越低，說明，升溫時平衡向逆向移動；
（3）當化學反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再改變，由此衍生的一些物理量不變，注意該該反應中反應物的化學計量數之和與生成物的化學計量數關系；
（4）據圖象可求出H₂的化學反應速率，再據化學反應中用各物質表示的速率之比等于系數之比，可求得第一問．據三段式法求得平衡時各物質的濃度，
                    CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
反應前濃度（mol/L ）0.5          0       0
反應的濃度（mol/L ）0.25        0.25     0.5
反應的濃度（mol/L ）0.25        0.25    0.5
代入平衡常數表達式計算，氣體體積不變，質量增倍，密度增倍；

解答 解：（1）圖1分析先拐先平溫度高，T₂＜T₁，溫度越高，一氧化碳轉化率越小，平衡常數越小，則T₁和T₂溫度下的平衡常數大小關系是K₁＞K₂，
故答案為：＞；
（2）圖1分析可知，溫度越高一氧化碳轉化率越小，說明正反應為放熱反應，CO在250℃、300℃、350℃下達到平衡時轉化率與壓強的關系曲線如圖2所示，溫度最高的是c曲線為350°，根據CO在不同溫度下的平衡轉化率與壓強的關系圖2，可以知道在1.3×10⁴kPa下，CO的轉化率已經很高，如果增加壓強CO的轉化率提高不大，而生產成本增加，得不償失，
故答案為：350，1.3×10⁴ kPa 下CO 的轉化率已經很高，如果增大壓強，CO 的轉化率提高不大，而生產成本增加很多，得不償失；
（3）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應是氣體體積減小的放熱反應，
A．反應前后氣體物質的量變化，恒溫、恒容條件下，若容器內的壓強不發生變化，則可逆反應達到平衡，故A正確；
B．一定條件下，H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時，只能說明反應正向進行，不能說明可逆反應達到平衡，故B錯誤；
C．使用合適的催化劑能縮短達到平衡的時間，但不改變化學平衡，不能提高CH₃OH的產率，故C錯誤；
D．某溫度下，將2molCO和6molH₂充入2L固定容積的密閉容器中，充分反應，達到平衡后測得c（CO）=0.2mol•L^-1，則CO的轉化率=$\frac{2mol-2L×0.2mol/L}{2mol}$×100%=80%，故D正確；
故答案為：AD；
（4）據圖象可求出H₂的化學反應速率，再據化學反應中用各物質表示的速率之比等于系數之比，可求得第一問．據三段式法求得平衡時各物質的濃度，
                   CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
反應前濃度（mol/L ）0.5          0        0
反應的濃度（mol/L ）0.25        0.25     0.5
反應的濃度（mol/L ）0.25        0.25     0.5
代入公式K=$\frac{0.5×0.5×0.25}{0.25}$=0.25，求得該反應的化學平衡常數為0.25（mol•L）²．所求反應的K，是該反應的逆反應，所以系數是其倒數則平衡常數=$\frac{1}{0.25}$L²•mol^-2=4L²•mol^-2．
體積不變的容器中，反應物與生成物全是氣體，質量加倍，故密度加倍，選C，
故答案為：4L²•mol^-2，C；

點評 本題考查化學反應中能量變化，化學反應速率、化學平衡影響因素與化學平衡圖象、平衡常數計算等，注意根據反應的特征分析圖象中條件的改變，難度中等．