Question

6．CO₂可作为合成低碳烯烃的原料加以利用．如：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H=a kJ•mol^-1
如图1所示为在体积为1L的恒容容器中，投料为3mol H₂和1mol CO₂时，测得的温度对CO₂的平衡转化率和催化剂催化效率的影响．
已知：H₂和CH₂=CH₂的标准燃烧热分别是-285.8kJ•mol^-1和-1411.0kJ•mol^-1．
H₂O（g）?H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
请回答：
（1）a=-127.8kJ•mol^-1．
（2）上述由CO₂合成CH₂=CH₂的反应在低温下自发（填“高温”或“低温”），理由是该反应的△H＜0，△S＜0．
（3）计算250℃时该反应平衡常数的数值K=0.088．
（4）下列说法正确的是ad．
a．平衡常数大小：M＞N
b．反应物活化分子百分数大小：M＞N
c．其他条件不变，若不使用催化剂，则250℃时CO₂的平衡转化率可能位于点M₁
d．其他条件不变，若投料改为4mol H₂和1mol CO₂时，则250℃时CO₂的平衡转化率可能位于点M₂
e．当压强、混合气体的密度或$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$不变时均可视为化学反应已达到平衡状态
（5）保持某温度（大于100℃）不变，在体积为V L的恒容容器中以n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比加入反应物，至t₀时达到化学平衡．t₁时将容器体积瞬间扩大至2V L并保持不变，t₂时重新达平衡．作出容器内混合气体的平均相对分子质量随时间变化的图象2．

Answer 1

分析 （1）H₂的标准燃烧热的热化学方程式为：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂?H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1；
CH₂=CH₂的标准燃烧热的热化学方程式为：②CH₂=CH₂（g）+3O₂?2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-1411.0kJ•mol^-1；
③H₂O（g）?H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1；
根据盖斯定律可知，①×6-②-③×4可得2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）；
（2）△H-T△S＜0时反应自发进行；
（3）由图可知，250℃时CO₂的平衡转化率为50%，利用三段式求出平衡时的浓度，再根据平衡常数表达式计算；
（4）a．该反应正方向为放热反应，升高温度逆向移动；
b．温度越高，反应物活化分子百分数越大；
c．根据图象分析；
d．增大H₂的量，CO₂的平衡转化率增大；
e．混合气体的质量不变，体积不变，所以混合气体的密度始终不变；
（5）反应前混合气体的平均相对分子质量=$\frac{44×2+2×6}{2+6}$=12.5，随着反应进行，气体的物质的量减小，混合气体的平均相对分子质量增大，至t₀时达到化学平衡，t₁时将容器体积瞬间扩大至2V L，平衡向逆方向移动，t₂时重新达平衡．

解答 解：（1）H₂的标准燃烧热的热化学方程式为：①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂?H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1 ；
CH₂=CH₂的标准燃烧热的热化学方程式为：②CH₂=CH₂（g）+3O₂?2CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-1411.0kJ•mol^-1；
③H₂O（g）?H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1；
根据盖斯定律可知，①×6-②-③×4可得2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）
△H=6（-285.8kJ•mol^-1 ）-（-1411.0kJ•mol^-1）-4（-44kJ•mol^-1）=-127.8kJ/mol；
故答案为：-127.8；
（2）由CO₂合成CH₂=CH₂的反应，2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）△H=-127.8kJ/mol，该反应△H＜0，△S＜0，△H-T△S＜0时反应自发进行，所以低温下反应自发进行；
故答案为：低温；该反应的△H＜0，△S＜0；
（3）由图可知，250℃时CO₂的平衡转化率为50%，则
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂O（g）
起始浓度（mol/L）：1 3 0 0
转化浓度（mol/L）：0.5 1.5 0.25 1.0
平衡浓度（mol/L）：0.5 1.5 0.25 1.0
平衡常数K=$\frac{1．{0}^{4}×0.25}{0．{5}^{2}×1．{5}^{6}}$=0.088；
故答案为：0.088；
（4）a．该反应正方向为放热反应，升高温度逆向移动，N点的温度大于M点，所以M点反应向正方向进行的程度大，即平衡常数大小：M＞N，故a正确；
b．温度越高，反应物活化分子百分数越大，N点的温度高，所以反应物活化分子百分数大小：M＜N，故b错误；
c．由图象可知，其他条件不变，若不使用催化剂，则250℃时CO₂的平衡转化率可能位于点M，故c错误；
d．增大H₂的量，CO₂的平衡转化率增大，所以其他条件不变，若投料改为4mol H₂和1mol CO₂时，则250℃时CO₂的平衡转化率可能位于点M₂，故d正确；
e．混合气体的质量不变，体积不变，所以混合气体的密度始终不变，所以不能根据混合气体的密度来判断化学反应是否达到平衡状态，故e错误；
故答案为：a、d；
（5）反应前混合气体的平均相对分子质量=$\frac{44×2+2×6}{2+6}$=12.5，所以起点坐标为（0，12.5），随着反应进行，气体的物质的量减小，混合气体的平均相对分子质量增大，至t₀时达到化学平衡，若全部转化为CH₂=CH₂和H₂O平均相对分子质量=$\frac{28+18×4}{1+4}$=20，则t₀达平衡时$\overline{M}$应在区间（12.5，20），t₁时将容器体积瞬间扩大至2V L，平衡向逆方向移动，t₂时重新达平衡，平均相对分子质量减小，t₂达平衡时 $\overline{M}$应大于12.5，所以图象为，
故答案为：．

点评 本题考查本题考查了盖斯定律、化学平衡移动的影响因素、化学平衡计算等，注意把握盖斯定律的应用方法、三段式在化学平衡计算中的灵活应用是解题的关键，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力、计算能力和画图能力，题目难点中等．