Question

18．为了减少温室气体排放，中国政府承诺到2020年我国单位国内生产总值CO₂排放比2005年下降40%-45%．目前工业上有采用CO₂与H₂在CuO-ZnO/ZrO催化下反应制备重要化工原料CH₃OH的工艺：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；△H．为探究其反应原理进行如下实验，在容积为2L密闭容器内、250℃条件下n（CO₂） 和n（H₂）随时间的变化情况如下表：

时间（s）	0	1	2	3	4	5
n（CO2）（mol）	0.4	0.35	0.31	0.3	0.3	0.3
n（H2）（mol）	1.2	1.05	n1	n2	n2	n2

达平衡时反应共放热4.9kJ．根据题目回答下列问题：
（1）n₁=0.93，250℃下，该反应的平衡常数K=13.7；△H=-49kJ/mol．
（2）平衡时CO₂的转化率是25%．
（3）能说明反应已达平衡状态的是BC．
A．v（H₂）=3v（CO₂）        B．容器内压强保持不变
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH）  D．容器内密度保持不变
（4）为使该反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是C．
A．及时分离出产物  B．适当升高温度  C．增大CO₂浓度    D．选择高效催化剂
（5）“碳捕捉技术”是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO₂分离出来并利用．如可利用NaOH溶液来“捕捉”CO₂，其基本过程如图所示，过程中用到生石灰（部分条件及物质未标出）．

物质①为NaOH，物质③为CaO，操作②为过滤．整个过程发生的化学反应方程式有：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH．

Answer 1

分析 （1）2s消耗二氧化碳为（0.4-0.31）mol=0.09mol，则消耗氢气为0.09mol×3=0.27mol，进而计算2s时氢气物质的量；
3s时到达平衡，消耗二氧化碳为（0.4-0.3）mol=0.1mol，则：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：0.4     1.2       0        0
变化量（mol）：0.1     0.3       0.1      0.1
平衡量（mol）：0.3    0.9       0.1       0.1
再根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
计算1mol二氧化碳反应放出的热量，可以得到反应△H；
（2）转化率=$\frac{物质的量变化量}{起始物质的量}$×100%；
（3）可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等且保持不变，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不再变化说明到达平衡；
（4）A．及时分离出产物，反应速率减慢；
B．正反应为放热反应，适当升高温度，平衡逆向移动；
C．增大CO₂浓度，反应速率加快，平衡正向移动；
D．选择高效催化剂，不影响平衡移动；
（5）捕捉室中用氢氧化钠吸收二氧化碳得到碳酸钠，将氧化钙加入吸收后溶液中得到碳酸钙与氢氧化钠，通过过滤分离，氢氧化钠循环利用，碳酸钙加热分解得到氧化钙与二氧化碳，CaO再循环利用．

解答 解：（1）2s消耗二氧化碳为（0.4-0.31）mol=0.09mol，则消耗氢气为0.09mol×3=0.27mol，2s时氢气物质的量n₁=1.2-0.27=0.93；
3s时到达平衡，消耗二氧化碳为（0.4-0.3）mol=0.1mol，则：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：0.4      1.2       0          0
变化量（mol）：0.1      0.3       0.1        0.1
平衡量（mol）：0.3      0.9       0.1        0.1
容器容积为10L，则平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.01×0.01}{0.03×0.0{9}^{3}}$=13.7，
1mol二氧化碳反应放出的热量为4.9kJ×$\frac{1mol}{0.1mol}$=49kJ，故反应的△H=-49kJ/mol，
故答案为：0.93；13.7；-49kJ/mol；
（2）二氧化碳转化率=$\frac{0.1mol}{0.4mol}$×100%=25%，
故答案为：25%；
（3）A．v（H₂）=3v（CO₂），未指明正逆速率，不能说明到达平衡，若分别表示正逆速率，则反应到达平衡，故A错误；
B．随反应进行混合气体物质的量减小，恒温恒容下压强减小，容器内压强保持不变，说明到达平衡，故B正确；
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH）说明二氧化碳的消耗速率与生成速率相等，反应到达平衡，故C正确，
D．混合气体总质量不变，容器容积不变，容器内密度始终保持不变，故D错误，
故选：BC；
（4）A．及时分离出产物，平衡正向移动，但反应速率减慢，故A错误；
B．适当升高温度，反应速率加快，正反应为放热反应，平衡逆向移动，故B错误；
C．增大CO₂浓度，反应速率加快，平衡正向移动，故C正确；
D．选择高效催化剂，可以加快反应速率，但不影响平衡移动，故D错误，
故选：C；
（5）捕捉室中用氢氧化钠吸收二氧化碳得到碳酸钠，将氧化钙加入吸收后溶液中得到碳酸钙与氢氧化钠，通过过滤分离，氢氧化钠循环利用，碳酸钙加热分解得到氧化钙与二氧化碳，CaO再循环利用，则：
物质①为NaOH，物质③为CaO，操作②为过滤，整个过程发生的化学反应方程式有：
2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH
故答案为：NaOH；CaO；过滤；2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O，CaO+H₂O=Ca（OH）₂，Ca（OH）₂+Na₂CO₃=CaCO₃↓+2NaOH．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、化学工艺流程等，是对学生综合能力的考查，难度中等．