Question

14．“洁净煤技术”研究在世界上相当普遍，科研人员通过向地下煤层气化炉中交替鼓入空气和水蒸气的方法，连续产出了高热值的煤炭气，其主要成分是CO和H₂．CO和H₂可作为能源和化工原料，应用十分广泛．生产煤炭气的反应之一是：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）-131.4kJ．
（1）在容积为3L的密闭容器中发生上述反应，5min后容器内气体的密度增大了0.12g/L，用H₂O表示0～5miin的平均反应速率为0.002mol/（L•min）．
（2）能说明该反应已达到平衡状态的是bd（选填编号）．
a．v_正（C）=v_逆（H₂O）    b．容器中CO的体积分数保持不变
c．c（H₂）=c（CO）        d．炭的质量保持不变
（3）若上述反应在t₀时刻达到平衡（如图1），在t₁时刻改变某一条件，请在图中继续画出t₁时刻之后正反应速率随时间的变化：
①缩小容器体积，t₂时到达平衡（用实线表示）；
②t₃时平衡常数K值变大，t₄到达平衡（用虚线表示）．
（4）在一定条件下用CO和H₂经如下两步反应制得甲酸甲酯：
Ⅰ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
Ⅱ．CO（g）+CH₃OH（g）?HCOOCH₃（g）
①反应①中CO的平衡转化率（α）与温度、压强的关系如图2所示．在不改变反应物用量的情况下，为提高CO的转化率可采取的措施是降温、加压；将甲醇从混合体系中分离出来．
②已知反应①中CO的转化率为80%，反应②中两种反应物的转化率均为85%，则5.04kgCO最多可制得甲酸甲酯4.08kg．

Answer 1

分析 （1）（1）根据反应方程式可知，气体增加的质量为固体碳的质量，根据m=ρV计算出反应消耗碳的质量，然后根据n=$\frac{m}{M}$计算出其物质的量，最后根据反应方程式及反应速率表达式计算出用H₂O表示0～5miin的平均反应速率；
（2）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不再变化，据此进行判断；
（3）根据影响化学反应速率的因素画出正反应速率变化的曲线；
（4）①提高CO的转化率可采取的措施是改变条件促使平衡正向进行；
②结合反应转化率从质量守恒的角度列式计算．

解答 解：（1）在容积为3L的密闭容器中发生上述反应，5min后容器内气体的密度增大了0.12g/L，根据反应C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可知，气体增加的质量为参加反应的固体C的质量，则反应消耗碳的物质的量为：$\frac{0.12g/L×3L}{12g/mol}$=0.03mol，该反应过程中消耗水的物质的量也为0.03mol，则用H₂O表示0～5miin的平均反应速率为：$\frac{\frac{0.03mol}{3L}}{5min}$=0.002mol/（L•min），
故答案为：0.002mol/（L•min）；
（2）a．v_正（C）=v_逆（H₂O）：炭为固体，不存在浓度变化，无法表示反应速率，则无法判断是否达到平衡状态，硅a错误； 
b．容器中CO的体积分数保持不变，说明各组分的浓度不再变化，已经达到平衡状态，故b正确；
c．c（H₂）=c（CO），不能判断正逆反应速率是否相等，则无法判断是否达到平衡状态，故c错误；        
d．炭的质量保持不变，则说明正逆反应速率相等，该反应已经达到平衡状态，故d正确；
故答案为：bd；
（3）①t₁时缩小容器体积，反应体系的压强增大，正逆反应速率都增大，直至t₂时重新达到平衡；
②t₃时平衡常数K增大，说明平衡向着正向移动，说明升高了温度，之后正反应速率逐渐减小，直至达到新的平衡，
根据以上分析画出的图象为：，
故答案为：．
（4）①反应是气体体积减小的放热反应，提高CO的转化率可采取的措施是降温、加压、分离出甲醇，
故答案为：降温、加压、将甲醇从混合体系中分离出来；
②n（CO）=$\frac{5.04×1{0}^{3}g}{28g/mol}$=180mol，
设用于制备甲醇的CO物质的量为x，用于和甲醇反应的CO为y，
则：x+y=180mol、80%x=y，
解得：x=100mol，y=80mol，
n（HCOOCH₃）=80mol×85%=68mol，
m（HCOOCH₃）=68mol×60g/mol=4.08×10³g=4.08kg，
故答案为：4.08．

点评 本题考查了化学平衡的计算、化学平衡状态的判断、化学平衡的影响因素等知识，题目难度中等，明确影响化学反应速率的因素为解答关键，试题侧重考查学生的分析能力及化学计算能力．