Question

8．科学家为实现“低碳”构想，把空气中的CO₂转化为可再生能源甲醇（CH₃OH）．该反应的热化学方程式为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
（1）若在一个定温定容的容器中发生上述反应，反应达到平衡的标志是BC．（填编号）
A．H₂O（g）和CH₃OH（g）的浓度相等
B．H₂的百分含量保持不变
C．容器内压强保持不变
D．v （H₂）=3v （H₂O）
E．容器中混合气体的密度保持不变
（2）若将CO₂和H₂的混合气体分成五等份，将它们分别充入温度不同、容积相同的恒容容器中发生上述反应．反应相同时间后，测得甲醇的体积分数Φ（CH₃OH）与反应温度T的关系如图1，则上述CO₂转化为甲醇的反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$，升高温度该平衡常数减小
（填“增大”、“减小”、“不变”）
（3）300℃时，将CO₂与H₂按1：3的体积比充入某密闭容器中，CO₂的平衡转化率（α）与体系总压强（P）的关系如图2所示．回答下列问题：
①若其他条件不变，将A点的体积压缩至原来的一半，一段时间后反应再次达到平衡，与原平衡相比较下列说法正确的是CD．（填编号）
A．CO₂的浓度减小
B．正反应速率增大，逆反应速率减小
C．CO₂和H₂的体积比仍然是1：3
D．H₂的体积分数减小
②A点平衡混合气体的平均摩尔质量为20.8g/mol（保留一位小数）．

Answer 1

分析 （1）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（2）平衡常数表达式为生成物浓度的幂次方之积比上反应物浓度的幂次方之积；由图可知，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行；
（3）①A．体积压缩，反应混合物各组分浓度均增大；
B．体积压缩，压强增大，正、逆反应速率都增大；
C．CO和H₂按1：3的体积比投入，且二者按物质的量1：3反应，反应体系中CO₂和H₂的体积比始终为1：3；
D．压缩体积，增大压强，平衡正向移动，H₂的体积分数减小；
②由CO₂与H₂按1：3的体积比，设二氧化碳的物质的量为1mol，则氢气的物质的量为3mol，而平衡时CO₂的平衡转化率80%，根据三行式分析解答．

解答 解：（1）A．CO₂和CH₃OH的浓度相等，并不是不变，所以不能说明达平衡状态，故错误；       
 B．H₂的百分含量保持不变，说明各物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；
C．容器内压强保持不变，说明气体的总物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；            
D．达平衡时应有：v_正（H₂）=3v_逆（H₂O），故错误；
E．容器中混合气体的密度一直保持不变，故错误；
故选：BC；
（2）平衡常数表达式为生成物浓度的幂次方之积比上反应物浓度的幂次方之积，则CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常数的表达式为：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行，则平衡常数减小，
故答案为：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$；减小；
（3）①A．体积压缩，反应混合物各组分浓度均增大，故A错误；
B．体积压缩，压强增大，正、逆反应速率都增大，故B错误；
C．CO和H₂按1：3的体积比投入，且二者按物质的量1：3反应，反应体系中CO₂和H₂的体积比始终为1：3，故C正确；
D．压缩体积，增大压强，平衡正向移动，H₂的体积分数减小，故D正确，
故选：CD；
②由CO₂与H₂按1：3的体积比，设二氧化碳的物质的量为1mol，则氢气的物质的量为3mol，而平衡时CO₂的平衡转化率80%，
          CO₂（g）+3H₂（g）→CH₃OH（g）+H₂O（g）
初起量：1mol     3mol             0                    0
变化量：0.8mol   2.4mol        0.8mol       0.8mol   
平衡量：0.2mol   0.6mol       0.8mol       0.8mol   
所以B点平衡混合气体的平均摩尔质量为$\frac{44+6}{0.2+0.6+0.8+0.8}$=20.8g/mol，
故答案为：20.8g/mol．

点评 本题考查化学平衡状态、化学平衡计算与影响因素等知识点，难度中等，注意三行式在化学平衡计算中的应用．