Question

【题目】近年来对CO2的有效控制及其高效利用的研究正引起全球广泛关注．由CO2制备甲醇过程可能涉及反应如下：
反应Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1
反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2
反应Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1

回答下列问题：
（1）反应Ⅱ的△H2= ， 反应Ⅲ自发进行条件是（填“较低温”、“较高温”或“任何温度”）．
（2）在一定条件下2L恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO2仅发生反应Ⅰ，实验测得在不同反应物起始投入量下，反应体系中CO2的平衡转化率与温度的关系曲线，如图1所示．
①据图可知，若要使CO2的平衡转化率大于40%，以下条件中最合适的是
A．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol； 650KB．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.7mol；550K
C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.9mol； 650KD．n（H2）=3mol，n（CO2）=2.5mol；550K
②在温度为500K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 该反应10min时达到平衡：
a．用H2表示该反应的速率为；
b．该温度下，反应I的平衡常数K=；
c．在此条件下，系统中CH3OH的浓度随反应时间的变化趋势如图所示，当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，请在图2中画出3～10min内容器中CH3OH浓度的变化趋势曲线：
（3）某研究小组将一定量的H2和CO2充入恒容密闭容器中并加入合适的催化剂（发生反应I、Ⅱ、Ⅲ），测得在不同温度下体系达到平衡时CO2的转化率（a）及CH3OH的产率（b），如图3所示，请回答问题：
①该反应达到平衡后，为同时提高反应速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是（选填编号）．
A．改用高效催化剂 B．升高温度C．缩小容器体积 D．分离出甲醇 E．增加CO2的浓度
②据图可知当温度高于260℃后，CO的浓度随着温度的升高而（填“增大”、“减小”、“不变”或“无法判断”），其原因是 ．

Answer 1

【答案】
（1）+41.19 kJ?mol﹣1；降低温
（2）B；0.135 mol?L﹣1?min﹣1；200； ， ；
（3）CE；增大；反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，综上所述，CO的浓度一定增大
【解析】解：（1）反应Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反应Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根据盖斯定律，反应Ⅱ=反应Ⅰ﹣反应Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3=49.58kJmol﹣1）﹣（﹣90.77kJmol﹣1）=+41.19 kJmol﹣1 ，
反应Ⅲ为熵减的反应，△S＜0，反应自发进行，则△G=△H﹣T△S＜0，故要自发进行需要在较低温下进行，故答案为：+41.19 kJmol﹣1；较低温；（2）①A．由曲线I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 时二氧化碳的转化率小于40%，故A错误；
B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K时二氧化碳转化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会增大，可能大于40%，故B正确；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K时二氧化碳转化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会减小，故C错误；D．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K时二氧化碳转化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会减小，故D错误；故选：B；②在温度为500K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 该反应10min时达到平衡，平衡时二氧化碳的转化率为60%，则转化的二氧化碳为1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.53 0 0
变化量（mol）：0.92.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.60.3 0.9 0.9
a．氢气表示的反应速率= =0.135 molL﹣1min﹣1 ， 故答案为：0.135 molL﹣1min﹣1；
b．该温度下，反应I的平衡常数K= =200，故答案为：200；
c．3min时未到达平衡，此时迅速将体系温度升至600K，瞬间甲醇的浓度不变，反应速率加快，到达平衡的时间小于10min，而在温度为600K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡时二氧化碳的转化率约是42%，则平衡时甲醇的物质的量约是1.5mol×42%=0.63mol，则平衡时甲醇的浓度约是0.315mol/L，3～10min内容器中CH3OH浓度的变化趋势曲线为： ，
故答案为： ；（3）①A．改用高效催化剂，能加快反应速率，缩短到达平衡的水解，但是不影响平衡的移动，甲醇生产量不变，故错误；
B．升高温度，加快反应速率，正反应为放热反应，平衡逆向移动，甲醇生产量减小，故B错误；C．缩小容器体积，增大压强，加快反应速率，平衡正向移动，甲醇生产量增大，故C正确；D．分离出甲醇，平衡正向移动，甲醇生产量增大，但反应速率减慢，故C错误；
E．增加CO2的浓度，可以加快反应速率且使得平衡正向移动，甲醇生产量增大，故E正确，
故选：CE；②反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，所以当温度高于260℃后，CO的浓度一定增大，故答案为：增大；反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，综上所述，CO的浓度一定增大．
（1）反应Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反应Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反应Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根据盖斯定律，反应Ⅱ=反应Ⅰ﹣反应Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3；
反应Ⅲ为熵减的反应，△G=△H﹣T△S＜0反应自发进行；（2）A．由曲线I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 时二氧化碳的转化率小于40%；B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K时二氧化碳转化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会增大；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K时二氧化碳转化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会减小；D．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K时二氧化碳转化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效为选项中的平衡，二氧化碳的转化率会减小；
②在温度为500K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 该反应10min时达到平衡，平衡时二氧化碳的转化率为60%，则转化的二氧化碳为1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.5/span> 3 0 0
变化量（mol）：0.9 2.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.6 0.3 0.9 0.9
a．根据v= 计算用H2表示该反应的速率；b．计算平衡浓度，代入平衡常数表达式K= 计算；c．3min时未到达平衡，此时迅速将体系温度升至600K，瞬间甲醇的浓度不变，反应速率加快，到达平衡的时间小于10min，而在温度为600K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡时二氧化碳的转化率约是42%，则平衡时甲醇的物质的量约是1.5mol×42%=0.63mol，则平衡时甲醇的浓度约是0.315mol/L；（3）①A．改用高效催化剂不影响平衡的移动；B．升高温度，加快反应速率且使得平衡逆向移动；C．缩小容器体积，增大压强，加快反应速率且使得平衡正向移动；D．分离出甲醇，不能加快反应速率误；E．增加CO2的浓度，可以加快反应速率且使得平衡正向移动；②反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，所以当温度高于260℃后，CO的浓度一定增大．