Question

1．2013年雾霾天气多次肆虐我国中东部地区．其中，汽车尾气和燃煤尾气是造成空气污染的原因之一．
（1）CO₂是大气中含量最高的一种温室气体，控制和治理CO₂是解决温室效应的有效途径．目前，由CO₂来合成二甲醚已取得了较大的进展，其化学反应是：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．
①写出该反应的平衡常数表达式K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$．
②判断该反应在一定条件下，体积恒定的密闭容器中是否达到化学平衡状态的依据是BD．
A．容器中密度不变
B．单位时间内消耗2molCO₂，同时消耗1mol二甲醚
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3
D．容器内压强保持不变
（2）汽车尾气净化的主要原理为：2NO（g）+2CO （g） $\stackrel{催化剂}{?}$2CO₂ （g）+N₂ （g）．在密闭容器中发生该反应时，c（CO₂）随温度（T）、催化剂的表面积（S）和时间（t）的变化曲线，如图所示．据此判断：
①该反应的△H＜0（选填“＞”、“＜”）．
②当固体催化剂的质量一定时，增大其表面积可提高化学反应速率．若催化剂的表面积S₁＞S₂，在图中画出c（CO₂）在T₂、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线．
（3）已知：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-a kJ•mol^-1．
①经测定不同温度下该反应的平衡常数如下：

温度（℃）	250	300	350
K	2.041	0.270	0.012

若某时刻、250℃测得该反应的反应物与生成物的浓度为c（CO）=0.4mol•L^-1、c（H₂）=0.4mol•L^-1、c（CH₃OH）=0.8mol•L^-1，则此时v_正＜v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②某温度下，在体积固定的2L的密闭容器中将1mol CO和2mol H₂混合，测得不同时刻的反应前后压强关系如下：

时间（min）	5	10	15	20	25	30
压强比（P后/P前）	0.98	0.90	0.80	0.70	0.70	0.70

则前15分钟，用氢气表示的平均化学反应速率为0.02mol•（L•min）^-1，达到平衡时CO的转化率为45%．

Answer 1

分析 （1）①化学平衡常数K=$\frac{生成物浓度系数幂次方}{反应物浓度系数幂次方}$；
②当正逆反应速率相等、各组分浓度保持不变时，反应达到平衡状态，据此判断；
（2）①根据到达平衡的时间判断温度高低，根据平衡时二氧化碳的浓度判断温度对平衡的影响；
②若催化剂的表面积S₁＞S₂，由增大其表面积可提高化学反应速率，故T₂、S₂条件下到达平衡时间比T₂、S₁的时间更长，但不影响化学平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度不变；
（3）①依据计算浓度商和该温度下的平衡常数比较分析判断反应进行方向；
②温度、体积不变的可逆反应中，气体的压强之比等于其物质的量之比，据此计算反应后气体体积的物质的量，从而计算氢气反应的物质的量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率；根据平衡时CO反应的物质的量结合转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%计算其转化率．

解答 解：（1）①化学平衡常数K=$\frac{生成物浓度系数幂次方}{反应物浓度系数幂次方}$，则2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）平衡常数表达式为：K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$，故答案为：K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$；
②A．恒容容器中，体积不变，据质量守恒定律，反应前后气体质量不变，密度始终不变，所以容器中密度不变不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．单位时间内消耗2molCO₂，同时消耗1mol二甲醚，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故B正确；
C．v（CO₂）：v（H₂）的比值，无论正向进行、逆向进行还是平衡时正逆向进行，始终与化学计量数相同为1：3，所以v（CO₂）：v（H₂）=1：3不能说明正逆反应速率相等，不能证明反应达到平衡状态，故C错误；
D．该反应前后气体体积不等，所以容器内压强保持不变，说明各组分浓度不变，反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：BD；
（2）①由图可知，温度T₁先到达平衡，故温度T₁＞T₂，温度越高平衡时，二氧化碳的浓度越低，说明升高温度平衡向逆反应移动，故正反应为放热反应，所以△H＜0，故答案为：放热；＜；
②若催化剂的表面积S₁＞S₂，由增大其表面积可提高化学反应速率，故T₂、S₂条件下到达平衡时间比T₂、S₁的时间更长，但不影响化学平衡移动，平衡时二氧化碳的浓度不变，在图中画出c（CO₂）在T₂、S₂条件下达到平衡过程中的变化曲线为：，
故答案为：；

（3）①250℃测得该反应的反应物与生成物的浓度为c（CO）=0.4mol•L^-1、c（H₂）=0.4mol•L^-1、c（CH₃OH）=0.8mol•L^-1，浓度商Q=$\frac{0.8mol/L}{0.4mol/L×（0.4mol/L）{\;}^{2}}$=12.5＞K=2.041，说明反应逆向进行v_正＜v_逆；
故答案为：＜；
②温度、体积不变的可逆反应中，气体的压强之比等于其物质的量之比，15min，压强比（P_后/P_前）=0.80，则反应后气体的物质的量=3mol×0.80=2.40mol，气体减少的物质的量=3mol-2.4mol=0.6mol，根据CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）气体减少的物质的量等于氢气的物质的量，参加反应的氢气的物质的量0.6mol，0～15min，用H₂表示的平均反应速率=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{15min}$=0.02 mol•（ L•min）^-1；
平衡状态压强比（P_后/P_前）=0.70，则反应后气体的物质的量=3mol×0.70=2.10mol，气体减少的物质的量=3mol-2.1mol=0.9mol，根据CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）气体减少的物质的量等于氢气的物质的量，所以参加反应的CO的物质的量$\frac{0.9mol}{2}$=0.45mol，则CO的转化率=$\frac{0.45mol}{1mol}$×100%=45%，
故答案为：0.02 mol•（ L•min）^-1；45%．

点评 本题考查了平衡状态的判断、平衡移动原理、化学反应速率、平衡常数概念的理解应用，化学平衡的计算分析是关键，气体压强压强之比等于物质的量之比，题目难度不大．