Question

6．工業(yè)上可以利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，反應(yīng)方程式為：CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O．請(qǐng)回答下列問題：

（1）已知常溫常壓下下列反應(yīng)的能量變化如圖1所示：寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol
（2）如果只改變一個(gè)條件使上述反應(yīng)方程式的平衡常數(shù)K值變大，則該反應(yīng)AD（選填編號(hào)）．
A．一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)         
B．在平衡移動(dòng)時(shí)正反應(yīng)速率先增大后減小
C．一定向逆反應(yīng)方向移動(dòng)         
D．在平衡移動(dòng)時(shí)逆反應(yīng)速率先減小后增大
（3）其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO₂的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖2所示．
①在相同條件下，三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ．
②a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)．
③c點(diǎn)CO₂的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，原因是b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度比b點(diǎn)高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大．
（4）若反應(yīng)的容器容積為2.0L，反應(yīng)時(shí)間4.0min，容器內(nèi)氣體的密度減少了2.0g/L，在這段時(shí)間內(nèi)C0₂的平均反應(yīng)速率為0.01mol．L^-1．min^-1．反應(yīng)在t₁時(shí)達(dá)到平衡，過程中c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢曲線右圖所示．保持其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢曲線（假定t₂時(shí)刻達(dá)到新的平衡）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖1中能量變化寫出反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算，書寫熱化學(xué)方程式；
（2）平衡常數(shù)只受溫度的影響，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡常數(shù)增大，則平衡向著正反應(yīng)方向移動(dòng)，說明降低了溫度，據(jù)此進(jìn)行解答；
（3）①由圖象可知，該反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO₂的轉(zhuǎn)化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，依此判斷催化劑的活性；
②催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡；
③b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（4）根據(jù)差量法計(jì)算出反應(yīng)消耗的二氧化碳的物質(zhì)的量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響畫出t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢曲線．

解答 解：（1）圖1中的熱化學(xué)方程式為①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，
由②-①得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
（2）如果反應(yīng)方程式CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O的平衡常數(shù)K值變大，則需要降低溫度，
A．降低溫度，平衡一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故A正確；
B．降低溫度后，正逆反應(yīng)速率都減小，正反應(yīng)速率在達(dá)到平衡前始終在減小，故B錯(cuò)誤；
C．平衡常數(shù)變大，反應(yīng)物濃度減小，生成物濃度增大，則化學(xué)平衡一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；    
D．化學(xué)平衡常數(shù)變大，需要降低溫度，則正逆反應(yīng)速率都減小，由于平衡向著正向移動(dòng)，則逆反應(yīng)速率先減小后增大，故D正確；
故答案為：AD；
（3）①由圖象可知，該反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO₂的轉(zhuǎn)化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是
Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，
故答案為：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；
②催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達(dá)平衡時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率相同，故a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，
故答案為：不是；
③b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度比b點(diǎn)高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
故答案為：b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度比b點(diǎn)高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（4）若反應(yīng)的容器容積為2.0L，反應(yīng)時(shí)間4.0min，容器內(nèi)氣體的密度減小了2.0g/L，則氣體減小的質(zhì)量為：2.0g/L×2.0L=4.0g，
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l） 氣體減少質(zhì)量△m
1mol                                     50
n                                        4.0g
反應(yīng)消耗的二氧化碳的物質(zhì)的量為：n=$\frac{1mol×4.0g}{50g}$=0.08mol，
在4min內(nèi)C0₂的平均反應(yīng)速率為：$\frac{\frac{0.08mol}{2L}}{4min}$=0.01mol．L^-1．min^-1；
保持其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，t₁時(shí)二氧化碳的濃度立刻增大為原先的2倍，即由0.025mol變?yōu)?.05mol，之后平衡向著正向移動(dòng)，二氧化碳濃度減小，直至t₂時(shí)達(dá)到新的平衡，t₂時(shí)二氧化碳的濃度一定大于0.025mol，則t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢曲線為，

故答案為：0.01mol．L^-1．min^-1；．

點(diǎn)評(píng) 本題考查蓋斯定律的應(yīng)用和熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素及相關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡移動(dòng)原理等知識(shí)，題目難度較大．側(cè)重學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力的培養(yǎng)．