Question

15．溫室效應(yīng)和資源短缺等問(wèn)題和如何降低大氣中的CO₂含量并加以開(kāi)發(fā)利用引起了各國(guó)的普遍重視．目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂生產(chǎn)燃料甲醇．
一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），如圖1表示該反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中能量（單位為kJ•mol^-1）的變化．

（1）關(guān)于該反應(yīng)的下列說(shuō)法中，正確的是C．
A．△H＞0，△S＞0
B．△H＞0，△S＜0
C．△H＜0，△S＜0
D．△H＜0，△S＞0
（2）為探究反應(yīng)原理，現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，測(cè)得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖2所示．從反應(yīng)開(kāi)始到平衡，用氫氣濃度變化表示的平均反應(yīng)速率v（H₂）0.225mol•L^-1•min^-1，CO₂轉(zhuǎn)化率為75%．相同溫度下，某一時(shí)刻若該容器中含有1mol H₂、1.2mol CO₂、0.8mol CH₃OH、1.5mol H₂O，則此時(shí)反應(yīng)所處的狀態(tài)為向正反應(yīng)方向進(jìn)行中 （填“向正反應(yīng)方向進(jìn)行中”、“向逆反應(yīng)方向進(jìn)行中”或“平衡狀態(tài)”），理由Q_C═1＜K=5.33．
（3）在溫度容積不變的條件下，能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)的是bd（填寫(xiě)序號(hào)字母）：
a．n（CO₂）：n（H₂）：n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：3：1：1
b．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變       c．容器內(nèi)的密度保持不變
d．H₂的消耗速率與CH₃OH的消耗速率之比為3：1
（4）下列條件能使上述反應(yīng)的反應(yīng)速率增大，且平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)的是c（填寫(xiě)序號(hào)字母）．
a．及時(shí)分離出CH₃OH氣體       
b．適當(dāng)升高溫度
c．保持容器的容積不變，再充入1mol CO₂和3mol H₂
d．選擇高效的催化劑．

Answer 1

分析 （1）由圖1可知，反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，由方程式可知，該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體的物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，故正反應(yīng)為熵減過(guò)程；
（2）由圖2可知，甲醇的濃度變化量為0.75mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；根據(jù)圖象計(jì)算出反應(yīng)消耗二氧化碳的濃度，然后計(jì)算出二氧化碳的轉(zhuǎn)化率；先計(jì)算濃度商、化學(xué)平衡常數(shù)，根據(jù)濃度商與化學(xué)平衡常數(shù)相對(duì)大小確定反應(yīng)方向；
（3）可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度、百分含量以及由此引起的一系列物理量不變；
（4）反應(yīng)速率增大，且平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，改變的條件可能是增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)．

解答 解：（1）由圖1可知，反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0，由方程式可知，該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體的物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，故正反應(yīng)為熵減過(guò)程，即△S＜0，選C；
（2）由圖2可知，10min達(dá)平衡時(shí)甲醇的濃度變化量為0.75mol/L，所以v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min）；
平衡時(shí)二氧化碳的濃度為0.25mol/L，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)二氧化碳的濃度為1mol/L，則二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為：$\frac{1mol/L-0.25mol/L}{1mol/L}$×100%=75%；
平衡時(shí)c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，c（CO₂）=0.25mol/L，反應(yīng)消耗二氧化碳濃度為0.75mol/L，則反應(yīng)消耗氫氣濃度為0.75mol/L×3=2.25mol/L，則達(dá)到平衡時(shí)氫氣濃度為：c（H₂）=3mol/L-2.25mol/L=0.75mol/L，所以該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$，
某一時(shí)刻若該容器中含有1mol H₂、1.2mol CO₂、0.8mol CH₃OH、1.5mol H₂O，這幾種物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度分別是1mol/L、1.2mol/L、0.8mol/L、1.5mol/L，濃度商=$\frac{0.8×1.5}{{1}^{3}×1.2}$=1＜$\frac{16}{3}$，平衡正向移動(dòng)，
故答案為：0.225 mol•L^-1•min^-1；75%；向正反應(yīng)方向進(jìn)行中；Q_C═1＜K=5.33；
（3）a．n（CO₂）：n（H₂）：n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：3：1：1時(shí)，該反應(yīng)不一定達(dá)到平衡狀態(tài)，
與反應(yīng)初始濃度及轉(zhuǎn)化率有關(guān)，故錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后容器內(nèi)壓強(qiáng)減小，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；      
c．無(wú)論反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，容器內(nèi)的密度始終保持不變，不能據(jù)此判斷平衡狀態(tài)，故錯(cuò)誤；
d．H₂的消耗速率與CH₃OH的消耗速率之比為3：1時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
故選bd；
（4）a．及時(shí)分離出CH₃OH氣體，平衡正向移動(dòng)，但反應(yīng)速率減小，故錯(cuò)誤；   
b．適當(dāng)升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
c．保持容器的容積不變，再充入1mol CO₂和3mol H₂，反應(yīng)物濃度增大平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)速率加快，故正確；
d．選擇高效的催化劑，平衡不移動(dòng)，故錯(cuò)誤；
故選c．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡時(shí)的計(jì)算，題目難度中等，明確化學(xué)平衡及其影響為解答關(guān)鍵，注意掌握化學(xué)平衡常數(shù)的概念及表達(dá)式，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析能力及化學(xué)計(jì)算能力．