Question

9．工业上可以利用废气中的CO₂为原料制取甲醇，其反应方程式为：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，该反应的△S＜0（填“＞”或“＜”或“=”），在低温情况下有利于该反应自发进行．（填“低温”或“高温”）
（2）如果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）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CO₂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变化趋势曲线如图2所示．保持其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，请画出t₁后c（CO₂）随时间t变化趋势曲线（t₂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，然后根据盖斯定律写出由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式；根据反应前后气体体积的变化判断△S；△G=△H-T•△S进行判断，如△G＜0，则反应能自发进行，如△G＞0，则不能自发进行；
（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，则平衡向着正向移动，说明降低了温度，据此进行解答；
（3）根据气体密度的变化计算出反应消耗的二氧化碳的物质的量，再计算出二氧化碳的平均反应速率；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，依据盖斯定律②-①得：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；该反应前后气体体积减小，则△S＜0；△G=△H-T•△S＜0时，反应能够自发进行，由于该反应为放热反应，△H＜0，而△S＜0，则温度降低时△G＜0，该反应自发进行，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；＜；低温；
（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，平衡一定向着正向移动，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，则化学平衡一定向着正向移动，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）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                                    50g
 n                                     4.0g
反应消耗的二氧化碳的质量为：m=$\frac{1mol×4.0g}{50g}$=0.08mol，
在4min内C0₂的平均反应速率为：$\frac{\frac{0.08mol}{2L}}{4min}$=0.01mol．L^-1；
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，二氧化氮浓度减小，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 本题考查了热化学方程式的书写、化学反应速率的计算、化学平衡状态的判断等知识，题目难度较大，试题涉及的知识点较多，充分考查了学生对所学知识的掌握情况，试题有利于培养学生的分析、理解能力及化学计算能力．