Question

12．環(huán)境問(wèn)題正引起全社會(huì)的關(guān)注，CO、CO₂的應(yīng)用對(duì)構(gòu)建生態(tài)文明社會(huì)有重要意義．
（Ⅰ）工業(yè)上可以利用 CO為原料制取CH₃OH．
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
（1）試寫(xiě)出由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）該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫．
（3）某溫度下（1）對(duì)應(yīng)的反應(yīng)平衡常數(shù)K=0.25，若改變條件D（填字母，下同），可使 K=2.04．
A．增大壓強(qiáng)    B．增大CO 的濃度    C．升高溫度  D．降低溫度E．使用催化劑
（Ⅱ）工業(yè)上也可以利用 CO₂為原料制取CH₃CH₂OH．下面為CO₂和H₂制取乙醇的反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=QkJ/mol （Q＞0）在密閉容器中，按CO₂與H₂的物質(zhì)的量之比為 1：3進(jìn)行投料，在5MPa下測(cè)得不同溫度下平衡體系中各種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)（y%）如圖1所示．
完成下列填空：

（1）表示CH₃CH₂OH體積分?jǐn)?shù)曲線的是b（選填圖中序號(hào)）．
（2）在一定溫度下反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是BC．
A．平衡常數(shù) K不再增大
B．CO₂的轉(zhuǎn)化率不再增大
C．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變
D．反應(yīng)物不再轉(zhuǎn)化為生成物
（3）其他條件恒定，如果想提高CO₂的反應(yīng)速率，可以采取的反應(yīng)條件是B（選填編號(hào)）；
達(dá)到平衡后，能提高 H₂轉(zhuǎn)化率的操作是C．
A．降低溫度B．充入更多的 H₂C．移去乙醇      D．增大容器體積
（4）圖1中曲線a和c的交點(diǎn)R對(duì)應(yīng)物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)y_R=37.5%
（Ⅲ）一定條件下CO可轉(zhuǎn)化成CO₂．溫度 T1 時(shí)，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），在一體積為 2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4mol 的H₂，第4分鐘達(dá)到平衡，反應(yīng)中c（H₂O）的變化情況如圖2所示．在第5分鐘時(shí)向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），第8分鐘達(dá)到平衡，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫(huà)出5到9分的c（H₂O）濃度變化趨勢(shì)的曲線．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
（2）反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0；
（3）平衡常數(shù)隨溫度變化，某溫度下，（1）中反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.25，改變下述條件可使K=2.04，說(shuō)明改變溫度平衡正向進(jìn)行；
（Ⅱ）（1）該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CO₂與H₂的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O的含量增大．開(kāi)始CO₂ 與H₂ 的物質(zhì)的量之比1：3進(jìn)行，平衡時(shí)H₂的含量是CO₂的含量三倍；CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時(shí)H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
（2）化學(xué)反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，且不等于0，各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不發(fā)生變化，以此進(jìn)行判斷，得出正確結(jié)論；
（3）根據(jù)外界條件對(duì)反應(yīng)速率的影響分析判斷，降低溫度、減小濃度、減小壓強(qiáng)等都減小反應(yīng)速率；
（4）R點(diǎn)為a和c的交點(diǎn)，設(shè)此時(shí)a的H₂O體積為V，那么c的H₂體積也為V，根據(jù)方程式中的關(guān)系求出CO₂和CH₃CH₂OH的體積，再求體積分?jǐn)?shù)y_a；
（Ⅲ）在體積為2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4molH₂，第4分鐘達(dá)到平衡，水的濃度為0.1mol/L，在第5分鐘時(shí)，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，曲線起始時(shí)水的濃度為0.2mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行第8分鐘達(dá)到平衡，此時(shí)水的濃度結(jié)合化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算得到，據(jù)此畫(huà)出曲線的變化；

解答 解：（1）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
蓋斯定律計(jì)算①-②得到由CO和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式為：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）CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol，反應(yīng)的焓變△H＜0，△S＜0，滿(mǎn)足△H-T△S＜0的自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)條件為低溫；
故答案為：低溫；
（3）平衡常數(shù)隨溫度變化，某溫度下，（1）中反應(yīng)的平衡常數(shù)K=0.25，改變下述條件可使K=2.04，說(shuō)明改變溫度平衡正向進(jìn)行，鈣反應(yīng)是放熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)降低溫度平衡正向進(jìn)行，故選D；
故答案為：D．
（Ⅱ）：（1）該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CO₂與H₂的含量降低，CH₃CH₂OH與H₂O的含量增大．開(kāi)始CO₂ 與H₂ 的物質(zhì)的量之比1：3進(jìn)行，平衡時(shí)H₂的含量是CO₂的含量三倍；CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時(shí)H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
曲線a、曲線b隨溫度升高含量增大，且曲線a的含量高，所以曲線a表示H₂O、曲線b表示CH₃CH₂OH；
曲線c、曲線d隨溫度升高含量減小，且曲線c的含量高，所以曲線c表示H₂、曲線d表示CO₂．
故答案為：b；
（2）A．平衡常數(shù)K只與溫度有關(guān)，與是否達(dá)到平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，故A錯(cuò)誤；
B．CO₂的轉(zhuǎn)化率不再增大，說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．平均分子量=$\frac{總重量}{總物質(zhì)的量}$，總質(zhì)量不變，總物質(zhì)的量會(huì)變，故混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變可作為判斷是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)，故C正確；
D．該反應(yīng)是可逆反應(yīng)，不存在反應(yīng)物不再轉(zhuǎn)化為生成物的狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；
故答案為：BC；
（3）A．降低溫度，二氧化碳反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，氫氣的轉(zhuǎn)化率降低；
B．充入更多的H₂，二氧化碳反應(yīng)速率增大，平衡正向移動(dòng)，氫氣的轉(zhuǎn)化率降低；
C．移去乙醇，二氧化碳反應(yīng)速率減小，平衡正向移動(dòng)，氫氣的轉(zhuǎn)化率增大；
D．增大容器體積，壓強(qiáng)減小，二氧化碳反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，氫氣的轉(zhuǎn)化率降低；
故提高CO₂的反應(yīng)速率，可以采取的反應(yīng)條件是B；能提高H₂轉(zhuǎn)化率的操作是C；
故答案為：B；C；
（4）2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）；
R點(diǎn)為a和c的交點(diǎn)，設(shè)此時(shí)a的H₂O體積為6V，那么c的H₂體積也為6V，根據(jù)方程式可知CO₂為$\frac{6V}{6}$=2V，C₂H₅OH為$\frac{6V}{3}$=2V，
所以R點(diǎn)對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)y_a=$\frac{6V}{6V+6V+2V+2V}$×100%=37.5%，
故答案為：37.5；
（Ⅲ）在體積為2L的密閉容積中加入0.4molCO₂和0.4molH₂，第4分鐘達(dá)到平衡，水的濃度為0.1mol/L，在第5分鐘時(shí)，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，曲線起始時(shí)水的濃度為0.2mol/L，隨反應(yīng)進(jìn)行第8分鐘達(dá)到平衡，此時(shí)水的濃度，結(jié)合平衡常數(shù)計(jì)算得到；
               CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始量（mol/L）  0      0        0.2     0.2
變化量（mol/L）  0.1    0.1      0.1      0.1
平衡量（mol/L）  0.1    0.1      0.1     0.1
平衡常數(shù)K=1
 在第5分鐘時(shí)，向體系中再充入0.2molCO和0.2molH₂O（其他條件不變），水的濃度增大一倍，起始量為0.2mol/L．結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算，設(shè)得到平衡消耗水物質(zhì)的量濃度為x
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始量（mol/L）  0.2     0.2      0.1    0.1
變化量（mol/L）  x        x        x       x
平衡量（mol/L） 0.2-x     0.2-x   0.1+x    0.1+x
K=$\frac{（0.1+x）^{2}}{（0.2-x）^{2}}$=1
x=0.05mol/L
平衡后水的平衡濃度為0.2mol/l-0.05mol/L=0.15mol/L，據(jù)此畫(huà)出圖象為：，
故答案為：；

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)，化學(xué)平衡影響因素分析，反應(yīng)速率、反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算，對(duì)圖象的分析與平衡移動(dòng)及平衡狀態(tài)的特征的理解，難度較大，注意圖象起點(diǎn)、終點(diǎn)和過(guò)程中變化趨勢(shì)是畫(huà)圖象的關(guān)鍵．