Question

【题目】温室效应和资源短缺等问题和如何降低大气中的CO2含量并加以开发利用引起了各国的普遍重视。目前工业上有一种方法是用CO2生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，如图表示该反应进行过程中能量 (单位为kJ·mol－1)的变化。

（1）关于该反应的下列说法中，正确的是________。

A．ΔH>0，ΔS>0

B．ΔH>0，ΔS<0

C．ΔH<0，ΔS<0

D．ΔH<0，ΔS>0

（2）为探究反应原理，现进行如下实验：在体积为1 L的密闭容器中，充入1mol CO2和3mol H2，测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下图所示。从反应开始到平衡，用氢气浓度变化表示的平均反应速率v(H2)____________________， CO2转化率为_________。相同温度下，某一时刻若该容器中含有1mol H2、1.2mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5mol H2O，则此时反应所处的状态为___________________________ (填“向正反应方向进行中”、 “向逆反应方向进行中”或“平衡状态”)，理由______________________________________。

（3）在温度容积不变的条件下，能说明该反应已达平衡状态的是________(填写序号字母)：

a．n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶3∶1∶1

b．容器内压强保持不变

c．容器内的密度保持不变

d．H2的消耗速率与CH3OH的消耗速率之比为3∶1

（4）下列条件能使上述反应的反应速率增大，且平衡向正反应方向移动的是________(字母)。

a．及时分离出CH3OH气体

b．适当升高温度

c．保持容器的容积不变，再充入1 mol CO2和3 mol H2

d．选择高效的催化剂

Answer 1

【答案】C 0.225 mol·L－1·min－1 75% 向正反应方向进行中 QC= =1< K=5.33 bd c

【解析】

（1）由图可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，由反应方程式可知，该反应是一个熵减少的反应；

（2）由题给数据，运用反应速率公式和转化率公式计算；先计算化学平衡常数，再计算浓度熵，依据浓度熵和平衡常数的相对大小判断平衡移动方向；

（3）反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质浓度或百分含量保持不变；

（4）该反应是一个气体体积减小的放热反应，依据化学平衡移动原理进行分析。

（1）由图可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，该反应为放热反应，即△H<0，由反应方程式可知，该反应是一个熵减少的反应，即△S＜0；故答案为：C；

（2）由图可知，10min达平衡时甲醇的浓度变化量为0.75mol/L，所以v（CH3OH）==0.075mol/（Lmin），由反应速率之比等于化学计量数之比可得v（H2）=3v（CH3OH）=3×0.075mol/（Lmin）=0.225mol/（Lmin）；由图可知，二氧化碳浓度的变化量为（1 mol/L—0.25mol/L）=0.75mol/L，则CO2转化率为×100%=75%；平衡时甲醇的浓度为0.75mol/L，二氧化碳的浓度为0.25mol/L，氢气的浓度为（3mol/L—0.75mol/L×3）=0.75mol/L，水蒸气的浓度为0.75mol/L，化学平衡常数K为==5.33，某一时刻,1L该容器中含有1mol H2、1.2mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5mol H2O时，浓度熵QC= =1< K=5.33，则平衡向正反应方向进行，故答案为：0.225 mol·L－1·min－1；75%；向正反应方向进行中；QC= =1< K=5.33；

（3）a、n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶3∶1∶1时，不能判断各组分的浓度是否不再变化，无法判断是否达到平衡状态，故错误；

b、该反应是一个体积体积减小的反应，容器内压强不变，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故正确；

c、由质量守恒定律可知，平衡前后气体质量不变，反应过程中在温度容积不变的条件下，密度始终不变，所以容器内密度保持不变，无法判断是否达到平衡状态，故错误；

d、H2的消耗速率为正反应速率，CH3OH的消耗速率为逆反应速率，两者之比为3∶1说明正反应速率等于逆反应速率，反应达到平衡状态，故正确；

bd正确，故答案为：bd；

（4）a、及时分离出CH3OH气体，减小生成物的量，反应速率减小，平衡向正反应方向移动，故错误；

b、该反应是放热反应，升高温度，反应速率增大，平衡向逆反应方向移动，故错误；

c、该反应是气体体积减小的反应，保持容器的容积不变，再充入1molCO2和3molH2，相当于增大压强，反应速率增大，平衡向正反应方向移动，故正确；

d、选择高效的催化剂，反应速率增大，化学平衡不移动，故错误；

c正确，故答案为：c。