Question

14．随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍关注，目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验：在体积为1L的恒容密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．
（1）反应开始到平衡，H₂的平均反应速率v（H₂）=0.225mol•L^-1•min^-1，该反应达平衡时放出热量36.75kJ．
（2）若CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁； CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₂；生成水的质量相等，则△H₁＞△H₂（填“＞”、“=”或“＜”）．
（3）下列描述能说明该反应达到平衡状态的是CD．
A．气体的密度不再变化                           B．各组分的浓度相等
C．消耗CO₂物质的量与消耗CH₃OH物质的量相等   D．CH₃OH的体积分数不再变化
（4）下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CE．
A．升高温度                B．恒容充入He使压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离   D．使用催化剂     E．缩小容器体积．

Answer 1

分析 （1）图象分析可知甲醇浓度变化，结合化学方程式计算氢气浓度变化，反应速率v=$\frac{△c}{△t}$，反应热与化学计量数成正比，根据热化学方程式计算；
（2）依据盖斯定律结合热化学方程式计算分析焓变大小，注意放热反应的焓变为负值；
（3）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；
（4）要使平衡混合物中  $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，应使平衡向正反应方向移动，根据影响平衡移动的因素来回答判断．

解答 解：（1）图象分析可知甲醇浓度变化为0.75mol/L，化学方程式计算CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），氢气浓度变化=3×0.75mol/L=2.25mol/L，
反应开始到平衡，H₂的平均反应速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，达到平衡状态消耗甲醇物质的量=0.75mol/L×1L=0.75mol，结合化学方程式定量关系计算反应达到平衡状态放出的热量，
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
                  1                       49.0kJ•mol^-1
                 0.75mol                  Q=36.75 kJ
故答案为：0.225 mol•L^-1•min^-1，36.75 kJ；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₂；生成水的质量相等，
盖斯定律计算①-②得到H₂O（l）=H₂O（g）△H₁-△H₂，液体水变化为气体水需要吸热，反应焓变大于0，△H₁-△H₂＞0，△H₁＞△H₂，
故答案为：＞；
（3）一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应是气体体积减小的放热反应，
A．反应前后气体体积和质量不变，气体的密度始终不变化，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．各组分的浓度相等和起始量、变化量有关，不能说明反应正逆反应速率相同，不能证明反应达到平衡状态，故B错误；
C．消耗CO₂物质的量与消耗CH₃OH物质的量相等，说明二氧化碳正逆反应速率相同，说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．CH₃OH的体积分数不再变化是平衡标志，说明反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：CD；
（4）一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应是气体体积减小的放热反应，要使平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，应使平衡向正反应方向移动，
A．反应是放热反应，反应升高温度 平衡逆向进行，比值减小，故A错误；
B．恒容充入He使压强增大，总压增大，分压不变平衡不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离 平衡正向进行，平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正确；
D．使用催化剂改变反应速率不改变化学平衡，比值不变，故D错误；
E．缩小容器体积，压强增大，平衡正向进行，平衡混合物中 $\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故E正确；
故答案为：CE．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学方程式计算分析、化学平衡计算、及平衡移动影响因素、平衡标志等问题，题目难度中等，注意根据图象计算各物质的平衡浓度为解答该题的关键．