Question

5．為實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”和“低碳經(jīng)濟(jì)”的一項(xiàng)課題是如何將CO₂轉(zhuǎn)化為可利用資源．目前，工業(yè)上常用CO₂來(lái)生產(chǎn)燃料甲醇．現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：在體積為l L的密閉恒容容器中，充入l mol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．
測(cè)得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖所示．
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②從反應(yīng)開始到平衡時(shí)，CH₃OH的平均反應(yīng)速率v（CH₃OH）=0.075mol/（L•min）（注明單位）；H₂的轉(zhuǎn)化率=75%；
③下列說(shuō)法中，能說(shuō)明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是C
A．每消耗1mol CO₂的同時(shí)生成1mol CH₃OH
B．CO₂、H₂、CH₃OH和H₂O的物質(zhì)的量的比為1：3：1：1
C．容器中氣體的壓強(qiáng)不再改變
D．容器中氣體的密度不再改變
④下列措施中，能使上述平衡狀態(tài)向正反應(yīng)方向移動(dòng)的是BD
A．升高溫度                     B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．使用高效催化劑               D．恒溫恒容再充入1molCO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）化學(xué)平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學(xué)平衡常數(shù)中寫出；
（2）二氧化碳是反應(yīng)物，隨反應(yīng)進(jìn)行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應(yīng)進(jìn)行濃度增大，10nim內(nèi)達(dá)到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L，根據(jù)c=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₃OH），由方程式可知△c（H₂）=3c（CH₃OH）=2.25mol/L，則△n（H₂）=1L×2.25mol/L=2.25mol，再計(jì)算氫氣轉(zhuǎn)化率；
（3）可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
（4）A．升高溫度，平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)；
B．將CH₃OH（g）及時(shí)液化抽出，減小生成物的量平衡正向進(jìn)行；
C．選擇高效催化劑不影響平衡移動(dòng)；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)．

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）二氧化碳是反應(yīng)物，隨反應(yīng)進(jìn)行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應(yīng)進(jìn)行濃度增大，10nim內(nèi)達(dá)到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L，
則v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），
由方程式可知△c（H₂）=3c（CH₃OH）=2.25mol/L，則△n（H₂）=1L×2.25mol/L=2.25mol，氫氣轉(zhuǎn)化率=$\frac{2.25mol}{3mol}$×100%=75%，
故答案為：0.075mol/（L•min）；75%；
（3）A．每消耗1mol CO₂的同時(shí)生成1mol CH₃OH，均表示正反應(yīng)速率，反應(yīng)始終按該比例關(guān)系進(jìn)行，故A錯(cuò)誤；
B．平衡時(shí)CO₂、H₂、CH₃OH和H₂O的物質(zhì)的量的比，與反應(yīng)物起始量及轉(zhuǎn)化率有關(guān)，平衡時(shí)不一定等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，故B錯(cuò)誤；
C．隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體物質(zhì)的量增大，恒溫恒容下壓強(qiáng)增大，當(dāng)容器中氣體的壓強(qiáng)不再改變，說(shuō)明到達(dá)平衡，故C正確；
D．混合氣體總質(zhì)量不變，容器的容積不變，容器中氣體的密度為定值，故D錯(cuò)誤，
故選：C；
（4）A．反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行，故A錯(cuò)誤；
B．將CH₃OH（g）及時(shí)液化抽出，生成物濃度減小，平衡正向進(jìn)行，故B正確；
C．選擇高效催化劑只能改變速率，不影響化學(xué)平衡移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大壓強(qiáng)，平衡正向進(jìn)行，故D正確，
故選：BD．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡狀態(tài)判斷、平衡常數(shù)，側(cè)重于學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力的考查，為高考常見題型，注意判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說(shuō)明到達(dá)平衡．