Question

12．研究证明，CO₂可作为合成低碳烯烃的原料加以利用，目前利用CO₂合成乙烯相关的热化学方程式如下：

反应Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）	△H1=-49.01kJ•mol-1
反应Ⅱ：2CH3OH（g）?CH3OCH3（g）+H2O（g）	△H2=-24.52kJ•mol-1
反应Ⅲ：CH3OCH3（g）?C2H4（g）+H2O（g）	△H3=-5.46kJ•mol-1
反应Ⅳ：2CO2（g）+6H2（g）?C2H4（g）+4H2O（g）	△H4

反应开始时在0．l MPa下，以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入体积固定的密闭容器中，发生反应Ⅳ，不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量百分数如图1所示，请回答下列问题：

（1）△H₄=-128 kJ/mol．
（2）可判断该反应体系已平衡的是CE．
A．v （CO₂）=2v （C₂H₄）
B．混合气体的密度不再改变
C．混合气体的压强不再改变
D．平衡常数K不再改变
E．C₂H₄的体积分数不变
（3）曲线a表示的物质为H₂（写化学式），判断依据是由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，反应开始时在0.1MPa下，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比可知a为H2的变化曲线，c为CO₂的变化曲线，结合计量数关系可知b为水，d为C₂H₄的变化曲线．
（4）为提高CO₂的平衡转化率，可以采取的措施是ABD．
A．降低温度          
B．分离出H₂O
C．增加原催化剂的表面积
D．增大压强
E．投料比改为n（H₂）：n（CO₂）=2：1
（5）在图2中，画出393K时体系中C₂H₄的体积分数随反应时间（从常温进料开始计时）的变化趋势曲线，并标明平衡时C₂H₄的体积分数数值．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式，Ⅰ×2+Ⅱ+Ⅲ得到热化学方程式和对应焓变；
（2）反应是气体体积减小的放热反应，达到平衡状态的标志是正逆反应速率相同，各组分含量保持不变，分析选项中“变量不变”说明反应达到平衡状态；
（3）正反应放热反应，由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，反应开始时在0.1MPa下，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比可知a为H2的变化曲线，c为CO₂的变化曲线，结合计量数关系可知b为水，d为C₂H₄的变化曲线；
（4）反应是放热反应，降低温度，平衡正向进行，反应前后气体体积减小，可采取的措施是增大压强平衡正向进行，分离出生成物，平衡正向进行等措施，改变条件使平衡状态正向进行；
（5）393K时体系中C₂H₄的体积分数随反应时间的变化趋势是，常温进料开始计时，反应不能进行，随温度升高，反应开始进行到393达到平衡状态，随温度升高，平衡逆向进行乙烯含量减小，据此画出图象变化．

解答 解：（1）反应Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.01 kJ•mol^-1
反应Ⅱ：2 CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-24.52 kJ•mol^-1
反应Ⅲ：CH₃OCH₃（g）?C₂H₄（g）+H₂O（g）△H₃=-5.46 kJ•mol^-1
依据盖斯定律计算Ⅰ×2+Ⅱ+Ⅲ得到：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H₄=-128KJ/mol，
故答案为：-128；
（2）2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H₄=-128KJ/mol，可以判断该反应已经达到平衡的是
A．v（CO₂）=2v（C₂H₄）表示的是正反应速率之比，不能说明正逆反应速率相同，故A错误；    
B．反应前后气体质量和体积不变，混合气体的密度始终不改变，不能说明反应达到平衡状态，故B错误；
C．反应前后气体物质的量变化，当混合气体的压强不再改变，说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．平衡常数随温度变化，平衡常数K不再改变不能说明反应达到平衡状态，故D错误；
E．C₂H₄的体积分数不再改变是平衡的标志，故E正确；
故答案为：CE；
（3）正反应放热反应，由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，反应开始时在0.1MPa下，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比可知a为H2的变化曲线，c为CO₂的变化曲线，结合计量数关系可知b为水，d为C₂H₄的变化曲线，
故答案为：H₂；由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，反应开始时在0.1MPa下，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比可知a为H₂的变化曲线，c为CO₂的变化曲线，结合计量数关系可知b为水，d为C₂H₄的变化曲线；
（4）为提高CO₂的平衡转化率，反应是放热反应，降低温度，平衡正向进行，反应前后气体体积减小，可采取的措施是增大压强或提高$\frac{n（H{\;}_{2}）}{n（CO{\;}_{2}）}$比值，分离出生成物，平衡正向进行，二氧化碳转化率增大，催化剂改变化学反应速率不改变化学平衡；
故答案为：ABD；
（5）常温进料开始计时，反应不能进行，随温度升高，反应开始进行到393达到平衡状态，随温度升高，平衡逆向进行乙烯含量减小，据此画出图象变化，393K时体系中C₂H₄的体积分数随反应时间的变化趋势是增大后不变，图象为：，
故答案为：

点评 本题考查了热化学方程式书写方法，化学平衡影响因素，平衡标志分析，平衡常数，反应速率概念计算应用，图象的分析判断是解题关键，题目难度较大．