Question

【題目】近年來(lái)對(duì)CO2的有效控制及其高效利用的研究正引起全球廣泛關(guān)注．由CO2制備甲醇過(guò)程可能涉及反應(yīng)如下：
反應(yīng)Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1
反應(yīng)Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2
反應(yīng)Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1

回答下列問(wèn)題：
（1）反應(yīng)Ⅱ的△H2= ， 反應(yīng)Ⅲ自發(fā)進(jìn)行條件是（填“較低溫”、“較高溫”或“任何溫度”）．
（2）在一定條件下2L恒容密閉容器中充入一定量的H2和CO2僅發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在不同反應(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)系曲線(xiàn)，如圖1所示．
①據(jù)圖可知，若要使CO2的平衡轉(zhuǎn)化率大于40%，以下條件中最合適的是
A．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol； 650KB．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.7mol；550K
C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.9mol； 650KD．n（H2）=3mol，n（CO2）=2.5mol；550K
②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：
a．用H2表示該反應(yīng)的速率為；
b．該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=；
c．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(huà)出3～10min內(nèi)容器中CH3OH濃度的變化趨勢(shì)曲線(xiàn)：
（3）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)生反應(yīng)I、Ⅱ、Ⅲ），測(cè)得在不同溫度下體系達(dá)到平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率（a）及CH3OH的產(chǎn)率（b），如圖3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（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（填“增大”、“減小”、“不變”或“無(wú)法判斷”），其原因是 ．

Answer 1

【答案】
（1）+41.19 kJ?mol﹣1；降低溫
（2）B；0.135 mol?L﹣1?min﹣1；200； ， ；
（3）CE；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
【解析】解：（1）反應(yīng)Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反應(yīng)Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反應(yīng)Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅱ=反應(yīng)Ⅰ﹣反應(yīng)Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3=49.58kJmol﹣1）﹣（﹣90.77kJmol﹣1）=+41.19 kJmol﹣1 ，
反應(yīng)Ⅲ為熵減的反應(yīng)，△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，則△G=△H﹣T△S＜0，故要自發(fā)進(jìn)行需要在較低溫下進(jìn)行，故答案為：+41.19 kJmol﹣1；較低溫；（2）①A．由曲線(xiàn)I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率小于40%，故A錯(cuò)誤；
B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)增大，可能大于40%，故B正確；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)減小，故C錯(cuò)誤；D．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)減小，故D錯(cuò)誤；故選：B；②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，平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為60%，則轉(zhuǎn)化的二氧化碳為1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.53 0 0
變化量（mol）：0.92.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.60.3 0.9 0.9
a．氫氣表示的反應(yīng)速率= =0.135 molL﹣1min﹣1 ， 故答案為：0.135 molL﹣1min﹣1；
b．該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K= =200，故答案為：200；
c．3min時(shí)未到達(dá)平衡，此時(shí)迅速將體系溫度升至600K，瞬間甲醇的濃度不變，反應(yīng)速率加快，到達(dá)平衡的時(shí)間小于10min，而在溫度為600K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率約是42%，則平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量約是1.5mol×42%=0.63mol，則平衡時(shí)甲醇的濃度約是0.315mol/L，3～10min內(nèi)容器中CH3OH濃度的變化趨勢(shì)曲線(xiàn)為： ，
故答案為： ；（3）①A．改用高效催化劑，能加快反應(yīng)速率，縮短到達(dá)平衡的水解，但是不影響平衡的移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量不變，故錯(cuò)誤；
B．升高溫度，加快反應(yīng)速率，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡逆向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量減小，故B錯(cuò)誤；C．縮小容器體積，增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，故C正確；D．分離出甲醇，平衡正向移動(dòng)，甲醇生產(chǎn)量增大，但反應(yīng)速率減慢，故C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)，甲醇生產(chǎn)量增大，故E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．
（1）反應(yīng)Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反應(yīng)Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反應(yīng)Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅱ=反應(yīng)Ⅰ﹣反應(yīng)Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3；
反應(yīng)Ⅲ為熵減的反應(yīng)，△G=△H﹣T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；（2）A．由曲線(xiàn)I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率小于40%；B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)增大；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)減小；D．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效為選項(xiàng)中的平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率會(huì)減��；
②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，平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為60%，則轉(zhuǎn)化的二氧化碳為1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.5/span> 3 0 0
變化量（mol）：0.9 2.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.6 0.3 0.9 0.9
a．根據(jù)v= 計(jì)算用H2表示該反應(yīng)的速率；b．計(jì)算平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K= 計(jì)算；c．3min時(shí)未到達(dá)平衡，此時(shí)迅速將體系溫度升至600K，瞬間甲醇的濃度不變，反應(yīng)速率加快，到達(dá)平衡的時(shí)間小于10min，而在溫度為600K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率約是42%，則平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量約是1.5mol×42%=0.63mol，則平衡時(shí)甲醇的濃度約是0.315mol/L；（3）①A．改用高效催化劑不影響平衡的移動(dòng)；B．升高溫度，加快反應(yīng)速率且使得平衡逆向移動(dòng)；C．縮小容器體積，增大壓強(qiáng)，加快反應(yīng)速率且使得平衡正向移動(dòng)；D．分離出甲醇，不能加快反應(yīng)速率誤；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)；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．