Question

6．工业上可以利用废气中的CO₂为原料制取甲醇，反应方程式为：CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O．请回答下列问题：

（1）已知常温常压下下列反应的能量变化如图1所示：写出由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol
（2）如果只改变一个条件使上述反应方程式的平衡常数K值变大，则该反应AD（选填编号）．
A．一定向正反应方向移动         
B．在平衡移动时正反应速率先增大后减小
C．一定向逆反应方向移动         
D．在平衡移动时逆反应速率先减小后增大
（3）其他条件相同，该甲醇合成反应在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CO₂的转化率随反应温度的变化如图2所示．
①在相同条件下，三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ．
②a点所代表的状态不是（填“是”或“不是”）平衡状态．
③c点CO₂的转化率高于b点，原因是b、c点均未达到平衡状态，c点温度比b点高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大．
（4）若反应的容器容积为2.0L，反应时间4.0min，容器内气体的密度减少了2.0g/L，在这段时间内C0₂的平均反应速率为0.01mol．L^-1．min^-1．反应在t₁时达到平衡，过程中c（CO₂）随时间t变化趋势曲线右图所示．保持其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，请在图3中画出t₁后c（CO₂）随时间t变化趋势曲线（假定t₂时刻达到新的平衡）．

Answer 1

分析 （1）根据图1中能量变化写出反应的热化学方程式为①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，根据盖斯定律进行计算，书写热化学方程式；
（2）平衡常数只受温度的影响，该反应为放热反应，平衡常数增大，则平衡向着正反应方向移动，说明降低了温度，据此进行解答；
（3）①由图象可知，该反应在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CO₂的转化率为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，依此判断催化剂的活性；
②催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡；
③b、c点均未达到平衡状态，升高温度，化学反应速率加快，CO₂的转化率较大；
（4）根据差量法计算出反应消耗的二氧化碳的物质的量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；根据压强对反应速率的影响画出t₁后c（CO₂）随时间t变化趋势曲线．

解答 解：（1）图1中的热化学方程式为①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，
由②-①得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
（2）如果反应方程式CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O的平衡常数K值变大，则需要降低温度，
A．降低温度，平衡一定向正反应方向移动，故A正确；
B．降低温度后，正逆反应速率都减小，正反应速率在达到平衡前始终在减小，故B错误；
C．平衡常数变大，反应物浓度减小，生成物浓度增大，则化学平衡一定向正反应方向移动，故C错误；    
D．化学平衡常数变大，需要降低温度，则正逆反应速率都减小，由于平衡向着正向移动，则逆反应速率先减小后增大，故D正确；
故答案为：AD；
（3）①由图象可知，该反应在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CO₂的转化率为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是
Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，
故答案为：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；
②催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡，所以最终不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CO₂的转化率相同，故a点所代表的状态不是平衡状态，
故答案为：不是；
③b、c点均未达到平衡状态，c点温度比b点高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大；
故答案为：b、c点均未达到平衡状态，c点温度比b点高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大；
（4）若反应的容器容积为2.0L，反应时间4.0min，容器内气体的密度减小了2.0g/L，则气体减小的质量为：2.0g/L×2.0L=4.0g，
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l） 气体减少质量△m
1mol                                     50
n                                        4.0g
反应消耗的二氧化碳的物质的量为：n=$\frac{1mol×4.0g}{50g}$=0.08mol，
在4min内C0₂的平均反应速率为：$\frac{\frac{0.08mol}{2L}}{4min}$=0.01mol．L^-1．min^-1；
保持其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，t₁时二氧化碳的浓度立刻增大为原先的2倍，即由0.025mol变为0.05mol，之后平衡向着正向移动，二氧化碳浓度减小，直至t₂时达到新的平衡，t₂时二氧化碳的浓度一定大于0.025mol，则t₁后c（CO₂）随时间t变化趋势曲线为，

故答案为：0.01mol．L^-1．min^-1；．

点评 本题考查盖斯定律的应用和热化学方程式的书写、化学反应速率的影响因素及相关计算、化学平衡移动原理等知识，题目难度较大．侧重学生的分析、理解能力及化学计算能力的培养．