Question

8．隨著人類對溫室效應(yīng)和資源短缺等問題的重視，如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了各國的普遍重視．目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇．為探究反應(yīng)原理，現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在485℃時(shí)，在體積為1L的密閉容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)合成甲醇：
（1）請完成CO₂和3mol H₂反應(yīng)合成甲醇的熱化學(xué)方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-49.0kJ/mol
（2）測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖所示．
①從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
②該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$．
③據(jù)圖中提供的數(shù)據(jù)計(jì)算在該溫度下的K值．要有計(jì)算過程．（保留三位有效數(shù)字）
（3）能判斷該反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是A、B、F（多選扣分）
A．容器中壓強(qiáng)不變的狀態(tài)                  B．混合氣體中c（CO₂）不變的狀態(tài)
C．V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）                    D．混合氣體的密度保持不變的狀態(tài)
E．用CO₂、H₂、CH₃OH的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率的比為1：3：1的狀態(tài)F．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變的狀態(tài)
（4）下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是C、D．
A．升高溫度                  B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大
C．將H₂O（g）從體系中分離     D．再充入1mol CO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)原子守恒確定物質(zhì)為水，該制備在485℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)合成甲醇生成的水為氣體；
（2）①圖象分析計(jì)算甲醇的反應(yīng)速率，根據(jù)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比計(jì)算得到氫氣表示的反應(yīng)速率；
②平衡常數(shù)=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
③結(jié)合化學(xué)三行計(jì)算列式計(jì)算平衡狀態(tài)下各物質(zhì)的平衡濃度，通過平衡常數(shù)的概念平衡常數(shù)=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$，計(jì)算得到平衡常數(shù)；
（3）根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$應(yīng)采取措施，使平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+？，反應(yīng)前后原子守恒，則未知物質(zhì)含有2個(gè)H原子和1個(gè)氧原子，物質(zhì)為水，在485℃時(shí)，在體積為1L的密閉容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)合成甲醇和氣體水，則熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
故答案為：H₂O（g）；
（2）①圖象可知反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)甲醇生成濃度=0.75mol/L，所以甲醇表示的反應(yīng)速率v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比，v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/L•min=0.225mol/L•min，
故答案為：0.225；   
②依據(jù)化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$
故答案為：$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$；
③圖象可知，二氧化碳起始量濃度為1.00mol/L，平衡狀態(tài)下二氧化碳濃度為0.25mol/L，甲醇平衡濃度為0.75mol/L，
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1        3           0         0
變化量（mol/L） 0.75    2.25      0.75      0.75
平衡量（mol/L） 0.25    0.75       0.75      0.75
平衡常數(shù)K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$L²/mol²=5.33L²/mol²，
故答案為：5.33L²/mol²；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，依據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理分析選項(xiàng)，變量不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，
A．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)容器中壓強(qiáng)不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．混合氣體中c（CO₂）不變的狀態(tài)是平衡標(biāo)志，故B正確；
C．反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比，當(dāng)3V_逆（H₂O）=V_正 （H₂）時(shí)說明水的正逆反應(yīng)速率相同，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，但V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；
D．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量和體積不變，反應(yīng)過程中和平衡狀態(tài)下混合氣體的密度始終保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；
E．速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)算之比為正反應(yīng)的速率之比，用CO₂、H₂、CH₃OH的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率的比為1：3：1的狀態(tài)，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故E錯(cuò)誤；
F．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故F正確；
故答案為：A、B、F；      
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$應(yīng)采取措施，使平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A、該反應(yīng)正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$減小，故A錯(cuò)誤，
B、充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，容器的容積不變，反應(yīng)混合物的濃度不變，平衡不移動(dòng)，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不變，故B錯(cuò)誤，
C、將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正確，
D、再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故D正確；
故答案為：C、D．

點(diǎn)評 本題考查反應(yīng)速率計(jì)算、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算，反應(yīng)速率、平衡狀態(tài)影響因素、平衡狀態(tài)分析判斷，熱化學(xué)方程式書寫，難度中等，注意基礎(chǔ)知識的掌握．