Question

8．随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在485℃时，在体积为1L的密闭容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应合成甲醇：
（1）请完成CO₂和3mol H₂反应合成甲醇的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-49.0kJ/mol
（2）测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．
①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
②该反应的平衡常数表达式为$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$．
③据图中提供的数据计算在该温度下的K值．要有计算过程．（保留三位有效数字）
（3）能判断该反应是否达到化学平衡状态的依据是A、B、F（多选扣分）
A．容器中压强不变的状态                  B．混合气体中c（CO₂）不变的状态
C．V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）                    D．混合气体的密度保持不变的状态
E．用CO₂、H₂、CH₃OH的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为1：3：1的状态F．混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态
（4）下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是C、D．
A．升高温度                  B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离     D．再充入1mol CO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）依据原子守恒确定物质为水，该制备在485℃时发生反应合成甲醇生成的水为气体；
（2）①图象分析计算甲醇的反应速率，根据反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气表示的反应速率；
②平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
③结合化学三行计算列式计算平衡状态下各物质的平衡浓度，通过平衡常数的概念平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$，计算得到平衡常数；
（3）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$应采取措施，使平衡向正反应移动，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+？，反应前后原子守恒，则未知物质含有2个H原子和1个氧原子，物质为水，在485℃时，在体积为1L的密闭容器中，充入1ol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应合成甲醇和气体水，则热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
故答案为：H₂O（g）；
（2）①图象可知反应达到平衡状态时甲醇生成浓度=0.75mol/L，所以甲醇表示的反应速率v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/L•min，反应速率之比等于化学方程式计量数之比，v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/L•min=0.225mol/L•min，
故答案为：0.225；   
②依据化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应的平衡常数K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$
故答案为：$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$；
③图象可知，二氧化碳起始量浓度为1.00mol/L，平衡状态下二氧化碳浓度为0.25mol/L，甲醇平衡浓度为0.75mol/L，
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1        3           0         0
变化量（mol/L） 0.75    2.25      0.75      0.75
平衡量（mol/L） 0.25    0.75       0.75      0.75
平衡常数K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$L²/mol²=5.33L²/mol²，
故答案为：5.33L²/mol²；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，反应是气体体积减小的放热反应，依据化学平衡移动原理分析选项，变量不变说明反应达到平衡状态，
A．反应前后气体物质的量变化，当容器中压强不变说明反应达到平衡状态，故A正确；
B．混合气体中c（CO₂）不变的状态是平衡标志，故B正确；
C．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，当3V_逆（H₂O）=V_正 （H₂）时说明水的正逆反应速率相同，反应达到平衡状态，但V_逆（H₂O）=3V_正 （H₂）不能说明反应达到平衡状态，故C错误；
D．反应前后气体质量和体积不变，反应过程中和平衡状态下混合气体的密度始终保持不变，说明反应达到平衡状态，故D错误；
E．速率之比等于化学方程式计算之比为正反应的速率之比，用CO₂、H₂、CH₃OH的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为1：3：1的状态，不能说明反应达到平衡状态，故E错误；
F．反应前后气体质量不变，气体物质的量变化，当混合气体的平均相对分子质量不再改变，说明反应达到平衡状态，故F正确；
故答案为：A、B、F；      
（4）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$应采取措施，使平衡向正反应移动，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A、该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$减小，故A错误，
B、充入He（g），使体系压强增大，容器的容积不变，反应混合物的浓度不变，平衡不移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不变，故B错误，
C、将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正确，
D、再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效为增大压强，平衡向正反应移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故D正确；
故答案为：C、D．

点评 本题考查反应速率计算、化学平衡常数的计算，反应速率、平衡状态影响因素、平衡状态分析判断，热化学方程式书写，难度中等，注意基础知识的掌握．