Question

2．研究表明，在CuZnO₂催化剂存在下，CO₂和H₂可发生两个平行反应，分别生成CH₃OH和CO，反应的热化学方程式如下：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁     平衡常数K₁    反应Ⅰ
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ•mol^-1平衡常数K₂   反应Ⅱ
（1）一定条件下，将n（CO₂）：n（H₂）=1：1的混合气体充入绝热恒容密闭容器中发生反应．下列事实可以说明反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）已达到平衡的是BCD
A 容器内气体密度保持不变     B  CO₂体积分数保持不变
C 该反应的平衡常数保持不变   D 混合气体的平均相对分子质量不变
（2）研究证实，CO₂也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，则生成甲醇的反应的电极反应式是CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O．
（3）反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$（用K₁和K₂表示）．
（4）在恒压密闭容器中，由CO₂和H₂进行反应I合成甲醇，在其它条件不变的情况下，探究温度对化学平衡的影响，实验结果如图．
①△H₁＜0（填“＞”、“＜”或“=”）
②有利于提高CO₂平衡转化率的措施有A（填标号）．
A．降低反应温度
B．投料比不变，增加反应物的物质的量
C．增大CO₂和H₂的初始投料比
D．混合气体中掺入一定量惰性气体（不参与反应）
（5）在T₁温度时，将1.00molCO₂和3.00molH₂充入体积为1.00L的恒容密闭容器中，容器起始压强为P₀，仅进行反应I．
①充分反应达到平衡后，若CO₂转化率为a，则容器的压强与起始压强之比为$\frac{2-a}{2}$（用a表示）．
②若经过3h反应达到平衡，平衡后，混合气体物质的量为3.00mol，则该过程中H₂的平均反应速率为0.500mol•L^-1•h^-1（保留三位有效数字）；平衡常数K可用反应体系中气体物质分压表示，即K表达式中用平衡分压代替平衡浓度，分压=总压×物质的量分数．写出上述反应压力平衡常数K_P为$\frac{27}{64{{P}_{0}}^{2}}$（用P₀表示，并化简）．

Answer 1

分析 （1）直接标志：①速率关系：正反应速率与逆反应速率相等；②反应体系中各物质的百分含量保持不变．间接标志：①混合气体的总压强、总体积、总物质的量不随时间的改变而改变（m+n≠p+q）；②各物质的浓度、物质的量不随时间的改变而改变；③各气体的体积、各气体的分压不随时间的改变而改变．
A．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）在密闭容器中m_{（混合气体）}和v都不变，不能根据密度判断平衡状态；
B．混合气体m+n≠p+q反应体系中CO₂的百分含量保持不变，达到平衡状态；
C．平衡常数只与温度有关，平衡常数变化，能判断达到平衡状态；
D．平均相对分子质量不变，由M_{（混合气体）}=$\frac{m（混合气体）}{n（混合气体）}$可知，在密闭容器中能判断平衡状态；
（2）CO₂也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，在电解池的阴极CO₂被还原生成甲醇；
（3）根据盖斯定律CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=△H₁-△H₂计算；
（4）①图中T₂＞T₁，温度越高水蒸气的含量越少，平衡逆向移动，所以正反应是放热反应，所以△H₁＜0；
②A．降低反应温度，平衡正向移动，CO₂平衡转化率增大；
B．在恒压密闭容器中，投料比不变，增加反应物的浓度，CO₂平衡转化率不变；
C．增大CO₂和H₂的初始投料比，二氧化碳转化率降低，而氢的转化率增大；
D．混合气体中掺入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，二氧化碳转化率降低；
（5）在T₁温度时，将1.00molCO₂和3.00molH₂充入体积为1.00L的恒容密闭容器中，容器起始压强为P₀，仅进行反应I．
①容器的压强与起始压强之比为等于物质的量之比；
②根据v=$\frac{△c}{△t}$，求H₂的平均反应速率；K_p=$\frac{P（{H}_{2}O）•P（C{H}_{3}OH）}{P（C{O}_{2}）•{P}^{3}（{H}_{2}）}$．

解答 解：（1）A．由ρ_{（混合气体）}=$\frac{m（混合气体）}{V}$知，密闭容器中m_{（混合气体）}和v都不变，比值不变，即ρ_{（混合气体）}不变，密度不再改变不能达到平衡状态，故A错误；
B．CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）反应前后体积不等，CO₂的体积分数保持不变时，即反应体系中CO₂的百分含量保持不变，达到平衡状态，故B正确；
C．平衡常数只与温度有关，绝热恒容密闭容器中发生反应，该反应的温度变化，所以平衡常数也变化，所以平衡常数能判断达到平衡状态，故C正确；
D．平均相对分子质量不变，由M_{（混合气体）}=$\frac{m（混合气体）}{n（混合气体）}$，密闭容器中m_{（混合气体）}不变，而n_{（混合气体）}向正反应方向移动时减小，向逆反应方向移动时增大，故混合气体的平均相对分子质量不变，平衡不移动，能达到平衡状态，故D正确；
故选：BCD；
（2）CO₂也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，C元素化合价降低，被还原，应为电解池的阴极反应，电极方程式为CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O，
故答案为：CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+H₂O；
（3）由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁ 平衡常数K₁ 反应Ⅰ；
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂=+41.2kJ•mol^-8平衡常数K₂ 反应Ⅱ；
所以根据盖斯定律CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=△H₁-△H₂，K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$，
故答案为：$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$；
（4）①图中T₂＞T₁，温度越高水蒸气的含量越少，平衡逆向移动，所以正反应是放热反应，所以△H₁＜0，
故答案为：＜；
②A．降低反应温度，平衡正向移动，CO₂平衡转化率增大，故A正确；
B．在恒压密闭容器中，投料比不变，增加反应物的浓度，CO₂平衡转化率不变，故B错误；
C．增大CO₂和H₂的初始投料比，二氧化碳转化率降低，而氢的转化率增大，故C错误；
D．混合气体中掺入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动，二氧化碳转化率降低，故D错误；
故答案为：A；
（5）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
c（初）：1             3                 0                  0
c（变）：a            3a                 a                  a
c（平）：1-a           3-3a              a                  a
所以$\frac{{P}_{0}}{P}$=$\frac{4}{4-2a}$；$\frac{{P}_{0}}{P}$=$\frac{2-a}{2}$，
故答案为：$\frac{2-a}{2}$；
②平衡后，混合气体物质的量为3.00mol，则反应的氢气的物质的量为1.5mol，v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{1.5mol}{1L}}{3h}$=0.500mol•L^-1•h^-1；
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
c（初）：1              3                 0                    0
c（变）：0.5          1.5              0.5                  0.5
c（平）：0.5          1.5             0.5                   0.5

$\frac{P}{{P}_{0}}$=$\frac{1.5}{2}$，所以P=0.75P₀，K_p=$\frac{P（{H}_{2}O）•P（C{H}_{3}OH）}{P（C{O}_{2}）•{P}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.5}{3}×0.75{P}_{0}×\frac{0.5}{3}×0.75{P}_{0}}{\frac{0.5}{3}×0.75{P}_{0}×（\frac{1.5}{3}×0.75{P}_{0}）^{3}}$=$\frac{27}{64{{P}_{0}}^{2}}$．
故答案为：0.500mol•L^-1•h^-1；$\frac{27}{64{{P}_{0}}^{2}}$．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的计算，平衡移动以及电化学等知识，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力、计算能力的考查，注意电解池的工作原理等知识，题目难度中等，化学平衡计算为该题的难点．