Question

13．研究CO₂转化成有机物实现碳循环对实现社会的可持续发展具有重要的意义．将燃煤废气中的CO₂转化为二甲醚的反应原理为2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（1）．
（1）已知一定压强下，该反应在温度升高时，CH₃OCH₃（g）的浓度增大，则反应的焓变△H＞0，熵变△S＜0（分别填“＞”、“＜”、或“=”）．
（2）相同条件下，在体积为2L的密闭容器内选用不同的催化剂，生成物二甲醚CH₃OCH₃的量随时间变化如图所示．
①图中0-4min内的反应速率v（CO₂）=1.25mol•（L•min）^-1．该温度下平衡常数的表达式为$\frac{{c（C{H_3}OC{H_3}）}}{{{c^2}（C{O_2}）{c^6}（{H_2}）}}$．
②下列有关说法正确的是ABC（填字母序号）．
A．反应的活化能大小顺序是：E_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C）
B．升高温度能使反应速率加快，是因为活化分子百分数增大
C．单位时间内消耗CO₂与生成H₂的数目为2：1时，说明反应已经达到平衡
D．增大压强，平衡正向移动，平衡常数K值增大
（3）温度下，在体积可变的密闭容器中，改变起始时各物质的起始投料量，在不同的压强下，平衡时生成物二甲醚CH₃OCH₃（g）的物质的量如表所示：

序号	起始投料量不同的压强下， 平衡CH3OCH3（g）的量不同的压强	P1	P2	P3
I	2.0molCO2 6.0molH2	0.10mol	0.04mol	0.02mol
II	1.0molCO2 3.0molH2	X1	Y1	Z1
III	1.0mol CH3OCH3 3.0mol H2O	X2	Y2	Z2

①P₁＞P₂（填“＞”、“＜”或“=”）；判断理由为压强增大，平衡向正反应方向移动，从而导致生成物的量增大．
②X₁=0.05mol．
③P₂下，III中CH₃OCH₃的平衡转化率为96%．

Answer 1

分析 （1）2CO（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（1），已知一定压强下，该反应在温度升高时，CH₃OCH₃（g）的浓度增大，说明正反应为吸热反应，气体物质的量减小，熵变减小；
（2）①反应速率v=$\frac{△c}{△t}$；平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②A．相同时间内生成的氮气的物质的量越多，则反应速率越快，活化能越低；
B．升温反应速率增大，活化分子数增多；
C．二氧化碳和氢气反应速率之比等于化学方程式计量数之比=1：3；
D．平衡常数只随温度变化；
（3）①2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l），反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡正向进行；
②某温度下，在体积可变的密闭容器中起始时加入各物质的量1.0mol CO₂，3.0molH₂ ，和I起始量．2.0molCO₂，6.0molH₂ 相比等比例减小，所以达到平衡状态相同；
③1.0molCH₃OCH₃   3.0molH₂O和起始量．2.0molCO₂，6.0molH₂ 相比达到相同的平衡状态，据此列式计算．

解答 解：（1）2CO（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（1），已知一定压强下，该反应在温度升高时，CH₃OCH₃（g）的浓度增大，说明正反应为吸热反应，△H＞0，气体物质的量减小，熵变减小△S＜0，
故答案为：＞；＜；
（2）①图中0-4min内甲醚生成物质的量5mol，消耗二氧化碳物质的量10mol，二氧化碳的反应速率v（CO₂）=$\frac{\frac{10mol}{2L}}{4min}$=1.25 mol•（L•min）^-1，2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OCH₃（g）+3H₂O（1），反应的平衡常数K=$\frac{{c（C{H_3}OC{H_3}）}}{{{c^2}（C{O_2}）{c^6}（{H_2}）}}$，
故答案为：1.25 mol•（L•min）^-1；  $\frac{{c（C{H_3}OC{H_3}）}}{{{c^2}（C{O_2}）{c^6}（{H_2}）}}$；    
 ②A．相同时间内生成的氮气的物质的量越多，则反应速率越快，活化能越低，所以该反应的活化能大小顺序是：E_a（A）＜E_a（B）＜E_a（C），故A正确；
B．升温能使反应速率加快，是因为增大了活化分子数，而活化分子百分数增大，故B正确；
C．单位时间内消耗CO₂与生成H₂的数目为1：3时，说明反应已经达到平衡，故C错误；
D．反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，但平衡常数K值并不变，故D错误；
故答案为：AB；
（3）①2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l），反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡正向进行，从而导致生成物的量增大，图表中平衡时CH₃OCH₃（g）的物质的量可知P₁＞P₂，
故答案为：＞；压强增大，平衡向正反应方向移动，从而导致生成物的量增大；
②某温度下，在体积可变的密闭容器中起始时加入各物质的量1.0mol CO₂，3.0molH₂ ，和I起始量．2.0molCO₂，6.0molH₂ 相比，等比例减小，体积缩小到一半和Ⅰ达到平衡状态相同，X₁=0.05mol
故答案为：0.05mol；  
 ③I起始量．2.0molCO₂，6.0molH₂ ，P₂下平衡三行计算，
                      2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）
起始量（mol）  2                6                      0                     0
变化量（mol）  0.08            0.24               0.04                
平衡量（mol）  1.92            5.76               0.04
逆向进行          2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）
起始量（mol）  0                0                    1                   3
变化量（mol）  1.92           5.76                0.96               
平衡量（mol）  1.92            5.76               0.04
P₂下Ⅲ中CH₃OCH₃的平衡转化率=$\frac{0.96mol}{1mol}$×100%=96%，
故答案为：96%．

点评 本题考查了化学平衡计算、影响平衡的因素分析、平衡常数和转化率计算等知识点，主要是图象的理解应用，题目难度中等．