Question

14．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，引起了各國的普遍關(guān)注，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)：在體積為1L的恒容密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．
（1）反應(yīng)開始到平衡，H₂的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.225mol•L^-1•min^-1，該反應(yīng)達(dá)平衡時放出熱量36.75kJ．
（2）若CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁； CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₂；生成水的質(zhì)量相等，則△H₁＞△H₂（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）下列描述能說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是CD．
A．氣體的密度不再變化                           B．各組分的濃度相等
C．消耗CO₂物質(zhì)的量與消耗CH₃OH物質(zhì)的量相等   D．CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)不再變化
（4）下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CE．
A．升高溫度                B．恒容充入He使壓強(qiáng)增大
C．將H₂O（g）從體系中分離   D．使用催化劑     E．縮小容器體積．

Answer 1

分析 （1）圖象分析可知甲醇濃度變化，結(jié)合化學(xué)方程式計算氫氣濃度變化，反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$，反應(yīng)熱與化學(xué)計量數(shù)成正比，根據(jù)熱化學(xué)方程式計算；
（2）依據(jù)蓋斯定律結(jié)合熱化學(xué)方程式計算分析焓變大小，注意放熱反應(yīng)的焓變?yōu)樨?fù)值；
（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，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，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（4）要使平衡混合物中  $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動，根據(jù)影響平衡移動的因素來回答判斷．

解答 解：（1）圖象分析可知甲醇濃度變化為0.75mol/L，化學(xué)方程式計算CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），氫氣濃度變化=3×0.75mol/L=2.25mol/L，
反應(yīng)開始到平衡，H₂的平均反應(yīng)速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，達(dá)到平衡狀態(tài)消耗甲醇物質(zhì)的量=0.75mol/L×1L=0.75mol，結(jié)合化學(xué)方程式定量關(guān)系計算反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)放出的熱量，
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
                  1                       49.0kJ•mol^-1
                 0.75mol                  Q=36.75 kJ
故答案為：0.225 mol•L^-1•min^-1，36.75 kJ；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₂；生成水的質(zhì)量相等，
蓋斯定律計算①-②得到H₂O（l）=H₂O（g）△H₁-△H₂，液體水變化為氣體水需要吸熱，反應(yīng)焓變大于0，△H₁-△H₂＞0，△H₁＞△H₂，
故答案為：＞；
（3）一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，
A．反應(yīng)前后氣體體積和質(zhì)量不變，氣體的密度始終不變化，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．各組分的濃度相等和起始量、變化量有關(guān)，不能說明反應(yīng)正逆反應(yīng)速率相同，不能證明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B錯誤；
C．消耗CO₂物質(zhì)的量與消耗CH₃OH物質(zhì)的量相等，說明二氧化碳正逆反應(yīng)速率相同，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)不再變化是平衡標(biāo)志，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D正確；
故答案為：CD；
（4）一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，要使平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動，
A．反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)升高溫度 平衡逆向進(jìn)行，比值減小，故A錯誤；
B．恒容充入He使壓強(qiáng)增大，總壓增大，分壓不變平衡不變，故B錯誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離 平衡正向進(jìn)行，平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正確；
D．使用催化劑改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，比值不變，故D錯誤；
E．縮小容器體積，壓強(qiáng)增大，平衡正向進(jìn)行，平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故E正確；
故答案為：CE．

點(diǎn)評 本題考查較為綜合，涉及熱化學(xué)方程式計算分析、化學(xué)平衡計算、及平衡移動影響因素、平衡標(biāo)志等問題，題目難度中等，注意根據(jù)圖象計算各物質(zhì)的平衡濃度為解答該題的關(guān)鍵．