Question

7．近年來對CO₂的有效控制及其高效利用的研究正引起全球廣泛關注．據(jù)中國化工報報道，美國科學家發(fā)現(xiàn)了一種新的可將CO₂轉化為甲醇的高活性催化體系，比目前工業(yè)使用的常見催化劑快近90倍．由CO₂制備甲醇過程可能涉及反應如下：
反應Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （　�。�+H₂O（g）△H₂
反應Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）反應Ⅱ的△H₂=+41.19 kJ•mol^-1，反應Ⅲ自發(fā)進行條件是較低溫（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Ⅰ，實驗測得在不同反應物起始投入量下，反應體系中CO₂的平衡轉化率與溫度的關系曲線，如圖1所示．
①據(jù)圖可知，若要使CO₂的平衡轉化率大于40%，以下條件中最合適的是B
A．n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol； 650K    B．n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.7mol；550K
C．n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.9mol； 650K    D．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10min時達到平衡：
a．用H₂表示該反應的速率為0.135 mol•L^-1•min^-1；
b．該溫度下，反應I的平衡常數(shù)K=200；
c．在此條件下，系統(tǒng)中CH₃OH的濃度隨反應時間的變化趨勢如圖2所示，當反時間達到3min時，迅速將體系溫度升至600K，請在圖2中畫出3～10min內容器中CH₃OH濃度的變化趨勢曲線：
（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I、Ⅱ、Ⅲ），測得了不同溫度下體系達到平衡時CO₂的轉化率（a）及CH₃OH的產(chǎn)率（b），如圖3所示，請回答問題：
①該反應達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是CE（選
填編號）．
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)圖可知當溫度高于260℃后，CO的濃度隨著溫度的升高而增大（填“增大”、“減小”、“不變”或“無法判斷”）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律可以計算化合反應的焓變，根據(jù)反應自發(fā)行的判據(jù)：△H-T△S＜0進行回答；
（2）①根據(jù)圖示CO₂的平衡轉化率和反應溫度的關系來判斷回答；
②a．根據(jù)速率v=$\frac{△c}{△t}$結合三行式進行計算；
b．化學反應的平衡常數(shù)K各個生成物平衡濃度系數(shù)次方的乘積和各個反應物平衡濃度系數(shù)次方乘積的比值，據(jù)此計算；
c．將體系溫度升至600K，根據(jù)升高溫度，平衡向著吸熱方向來進行回答；
（3）①該反應達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，只要加快反應速率且使得平衡正向移動的因素都可以；
②根據(jù)反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO₂、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO₂轉化為CO來回答．

解答 解：（1）反應Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反應Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，反應Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反應Ⅱ的焓變△H₂=（-49.58kJ•mol^-1）-（-90.77kJ•mol^-1）=+41.19 kJ•mol^-1；根據(jù)反應自發(fā)行的判據(jù)：△H-T△S＜0，反應Ⅲ是熵減的放熱的反應，所以要自發(fā)進行需要在較低溫下進行，
故答案為：+41.19 kJ•mol^-1；較低溫；
（2）①據(jù)圖可知，若要使CO₂的平衡轉化率大于40%，需要n（H₂）=3mol，n（CO₂）的物質的量大于1.7mol，溫度高于550K，故選B；
②在溫度為500K的條件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應10min時達到平衡，二氧化碳的轉化率是60%，
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始濃度：0.75      1.5         0        0
變化濃度：0.45      1.35       0.45       0.45 
平衡濃度：0.3       0.15        0.45       0.45
a．氫氣表示的反應速率=$\frac{1.35mol/L}{10min}$=0.135 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.135 mol•L^-1•min^-1；
b．該溫度下，反應I的平衡常數(shù)K=$\frac{0.45×0.45}{0.3×0.1{5}^{3}}$=200，故答案為：200；
c．當反應時間達到3min時，迅速將體系溫度升至600K，則平衡正向進行，甲醇的濃度會增加，圖象為，
故答案為：；
（3）①該反應達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，只要加快反應速率且使得平衡正向移動即可．
A．改用高效催化劑，能加快反應速率，但是不影響平衡的移動，故錯誤；
B．升高溫度，加快反應速率且使得平衡逆向移動，不符合，故錯誤；
C．縮小容器體積，即增大壓強，加快反應速率且使得平衡正向移動，故正確；
D．分離出甲醇，不能加快反應速率，故錯誤；
E．增加CO₂的濃度，可以加快反應速率且使得平衡正向移動，故正確．
故選CE；
②反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO₂、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO₂轉化為CO，所以當溫度高于260℃后，CO的濃度一定增大，
故答案為：增大．

點評 本題綜合考查學生蓋斯定律的應用、化學反應速率的計算、化學平衡移動的影響因素等知識，屬于綜合知識的考查，難度較大．