Question

9．目前工业上可利用CO或CO₂来生产燃料甲醇，某研究小组对下列有关甲醇制取的三条化学反应原理进行探究．已知在不同温度下的化学平衡常数（K₁、K₂、K₃）如表所示：

化学反应	焓变	平衡常数	温度/℃
			500	700	800
①2H2（g）+CO（g）?CH3OH（g）	△H1	K1	2.5	0.34	0.15
②CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）	△H2	K2	1.0	1.70	2.52
③CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）	△H3	K3

请回答下列问题：
（l）反应②是吸热（填“吸热”或“放热”）反应．
（2）根据反应①与②可推导出K₁、K₂和K₃之间的关系，则K₃=K₁•K₂（用K₁、K₂表示）；根据反应③判断△S＜（填“＞”、“=”或“＜”） 0，在较低（填“较高”或“较低”）温度下有利于该反应自发进行．
（3）500℃时，测得反应③在某时刻，CO₂（g）、H₂（g）、CH₃OH（g）、H₂O（g）的浓度分别为0，.1mol•L^-1、0.8mol•L^-1、0.3mol•L^-1、0.15mol•L^-1，则此时v_正＞（填“＞”、“=”或“＜”） v_逆．
（4）某兴趣小组研究反应②的逆反应速率在下列不同条件下随时间的变化曲线，开始时升温时，t₂时降压，t₃时增加CO浓度，t₄时又达到平衡．请画出t₂至t₄的曲线．

Answer 1

分析 （1）由表格数据可知，反应②的平衡常数随温度升高而增大，正反应为吸热反应；
（2）平衡常数是利用生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积，结合表达式计算，反应③是气体体积减小的反应△S＜0，由反应关系可知平衡常数K₃=K₁×K₂，计算不同温度下反应③的平衡常数，结合温度变化分析判断反应焓变△H＜0，依据反应①+②得到反应③，所以平衡常数K₃=K₁×K₂； 存在的平衡常数定量关系，熵变是依据反应前后气体体积变化分析判断，反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0；
（3）反应③=①+②，K₃=2.5×1.0=2.5，结合Qc、K的关系判断反应进行的方向；
（4）由表格数据可知，温度升高K增大，为吸热反应，则升温、增大CO浓度平衡均逆向移动，改变压强平衡不移动，以此来解答．

解答 解：（1）反应②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的平衡常数随温度升高增大，说明平衡正向进行，正反应是吸热反应，故答案为：吸热；
（2）反应③3H₂（g）+CO₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）是气体体积减小的反应△S＜0，反应③=①+②，可知平衡常数K₃=K₁×K₂，计算不同温度下反应③的平衡常数，500°C时，K₃=K₁×K₂=2.5×1.0=2.5，800°C时，K₃=K₁×K₂=2.5×0.15=0.375，结合温度变化分析，随温度升高，平衡常数减小，平衡逆向进行，所以判断反应是放热反应，焓变△H＜0，△H-T△S在低温条件下能自发进行，
故答案为：K₁•K₂；＜；较低；
（3）500℃时，反应③=①+②，K₃=2.5×1.0=2.5，测得反应③在某时刻，CO₂（g）、H₂（g）、CH₃OH（g）、H₂O（g）的浓度分别为0.1mol•L^-1、0.8mol•L^-1、0.3mol•L^-1、0.15mol•L^-1，Qc=$\frac{0.3×0.15}{（0.8）^{3}×0.1}$=0.88＜K=2.5，则此时v正＞v逆，
故答案为：＞；
（4）反应②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）是气体体积不变的吸热反应，开始时升温，逆反应速率增大，t₁时平衡，t₂时降压，逆反应速率减小，平衡不变，t₃时增加CO浓度，此时刻逆反应速率增大，随反应进行减小，达到平衡状态时速率大于t₂-t₃平衡状态的逆反应速率，t₄时又达到平衡，则t₂至t₄的速率曲线如图为，故答案为：．

点评 本题考查较综合，涉及速率与图象、反应方向判断及化学平衡计算等，综合性较强，注重化学反应速率及化学平衡的综合考查，题目难度中等．