Question

10．目前有效控制及高效利用CO、CO₂的研究正引起全球廣泛關(guān)注，根據(jù)《中國(guó)化工報(bào)》報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾種新的可將CO、CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的高活性催化體系，比目前工業(yè)使用  的常見(jiàn)催化劑快近90倍．
已知工業(yè)上可以利用CO₂制備CH₃OH涉及反應(yīng)如下：
反應(yīng)I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ/mol
反應(yīng)II：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ/mol
（1）寫出工業(yè)上CO和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ/mol．
（2）反應(yīng)I能自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫．
（3）一定溫度下，H₂、CO在體積固定的密閉容器中發(fā)生如下反應(yīng)：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），下列選項(xiàng)能判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)有C、E．
A．該反應(yīng)的平衡常數(shù)不變                 B．CO的消耗速率等于CH₃OCH₃的生成速率
C．容器內(nèi)的壓強(qiáng)保持不變                 D．混合氣體的密度保持不變
E．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不隨時(shí)間而變化
（4）500K，2L恒容密閉容器中充入3mol的H₂和1.5molCO₂僅發(fā)生反應(yīng)I（左下圖為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在不同反應(yīng)物起始投入量下，反應(yīng)體系中CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系圖），該反應(yīng)10min時(shí)CH₃OH生成0.9mol，此時(shí)達(dá)到平衡：
①用氫氣表示該反應(yīng)的速率為0.135mol/（L•min）．
②該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)為200．
③在此條件下，系統(tǒng)中CH₃OH的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖1所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3min時(shí)，迅速將體系溫度升至600K，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫出3～10min容器中CH₃OH濃度的變化趨勢(shì)曲線．

（5）某研究小組將一定量的H₂和CO₂充入恒容密閉容器中并加入合適的催化劑發(fā)生上述反應(yīng)，測(cè)得了不同溫度下體系達(dá)到平衡時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率（a）及CH₃OH的產(chǎn)率（b），如圖2所示，請(qǐng)回答問(wèn)題：
①該反應(yīng)達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是C、E（選填編號(hào)）
A．改用高效催化劑            B．升高溫度                C．縮小容器體積
D．分離出甲醇                E．增加CO₂的濃度
②據(jù)圖可知當(dāng)溫度高于260℃后，CO的濃度隨著溫度的升高而增大（填“增大”、“減小”、“不變”或“無(wú)法判斷”），其原因是反應(yīng)I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）、一氧化碳制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）均為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO₂、CO轉(zhuǎn)化為甲醇；反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高使更多CO₂轉(zhuǎn)化為CO．綜上所訴，CO的濃度一定增大．．

Answer 1

分析 （1）準(zhǔn)確寫出一氧化碳與氫氣反應(yīng)生成甲醇的方程式，將已知的兩個(gè)熱化學(xué)方程式進(jìn)行運(yùn)算得到目標(biāo)方程式，依據(jù)蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱；
（2）依據(jù)△H-T△S＜0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行判斷解答；
（3）化學(xué)平衡狀態(tài)的特征：等，即V正=V逆，定，即達(dá)到平衡后反應(yīng)物、生成物物質(zhì)的量，質(zhì)量，濃度，百分含量等保持不變據(jù)此判斷解答；
（4）①根據(jù)速率v=$\frac{△C}{△t}$結(jié)合三行式進(jìn)行計(jì)算；
②化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K各個(gè)生成物平衡濃度系數(shù)次方的乘積和各個(gè)反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次方乘積的比值，據(jù)此計(jì)算；
③將體系溫度升至600K，根據(jù)升高溫度，平衡向著吸熱方向來(lái)進(jìn)行回答；
（5）①該反應(yīng)達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，只要加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)的因素都可以；
②根據(jù)反應(yīng)I、反應(yīng)III均為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO₂、CO轉(zhuǎn)化為甲醇，反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高使更多的CO₂轉(zhuǎn)化為CO來(lái)回答．

解答 解：（1）把題中所給的兩個(gè)熱化學(xué)方程式分別記為①和②，
①：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ/mol
②：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律①-②得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）依據(jù)方程式：反應(yīng)I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ/mol該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行則滿足：△H-T△S＜0，△H＜0、△S＜0，故應(yīng)該在低溫下能自發(fā)進(jìn)行；
故答案為：低溫；
（3）A．溫度不變，平衡常數(shù)不變，故不能作為判斷平衡的標(biāo)志，故A錯(cuò)誤；
B．所指的速率都是表示正反應(yīng)速率，且比例不對(duì)，不能作為判斷平衡標(biāo)志，故B錯(cuò)誤；
C．該反應(yīng)前后氣體體積不相等，則壓強(qiáng)不變說(shuō)明達(dá)到平衡，故C正確；
D．反應(yīng)物和產(chǎn)物都是氣體，則氣體總質(zhì)量不變、容器體積不變，則密度始終不變，故D錯(cuò)誤；
E．混合氣體的總質(zhì)量不變，但反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不等，則平均相對(duì)分子質(zhì)量不變說(shuō)明達(dá)到平衡，故E正確；
故選：CE；
（4）在溫度為500K的條件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應(yīng)10min時(shí)達(dá)到平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率是60%，
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始濃度：0.75      1.5         0        0
變化濃度：0.45      1.35       0.45       0.45 
平衡濃度：0.3       0.15        0.45       0.45
①．氫氣表示的反應(yīng)速率=$\frac{1.35mol/L}{10min}$=0.135 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.135 mol•L^-1•min^-1；
②．該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=$\frac{0.45×0.45}{0.3×0.1{5}^{3}}$=200，
故答案為：200；
③．當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3min時(shí)，迅速將體系溫度升至600K，則平衡正向進(jìn)行，甲醇的濃度會(huì)增加，圖象為，
故答案為：；
（5）①該反應(yīng)達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，只要加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)即可．
A．改用高效催化劑，能加快反應(yīng)速率，但是不影響平衡的移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
B．升高溫度，加快反應(yīng)速率且使得平衡逆向移動(dòng)，不符合，故錯(cuò)誤；
C．縮小容器體積，即增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)，故正確；
D．分離出甲醇，不能加快反應(yīng)速率，故錯(cuò)誤；
E．增加CO₂的濃度，可以加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)，故正確．
故選CE；
②反應(yīng)I、反應(yīng)III均為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO₂、CO轉(zhuǎn)化為甲醇，反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高使更多的CO₂轉(zhuǎn)化為CO，所以當(dāng)溫度高于260℃后，CO的濃度一定增大，
故答案為：增大；反應(yīng)I、反應(yīng)III均為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于CO₂、CO轉(zhuǎn)化為甲醇，反應(yīng)II為吸熱反應(yīng)，溫度升高使更多的CO₂轉(zhuǎn)化為CO，綜上所述，CO的濃度一定增大．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查學(xué)生蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡移動(dòng)的影響因素等知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，難度較大．