Question

6．如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂引起了全世界的普遍重视．目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究该反应原理，进行如下实验：在容积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，在500℃下发生发应，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）实验测得CO₂和CH₃OH（g）的物质的量（n）随时间变化如图1所示：

（1）从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．500℃达平衡时，CH₃OH（g）的体积分数为30%，图2是改变温度时化学反应速率随时间变化的示意图，则该反应的正反应为放热反应（填“放热”或“吸热”）
（2）500℃该反应的平衡常数为5.33（保留两位小数），若提高温度到800℃进行，达平衡时，K值减小（填“增大”“减小”或“不变”）．
（3）下列措施中不能使CO₂的转化率增大的是BD．
A．在原容器中再充入1mol H₂B．在原容器中再充入1molCO₂
C．缩小容器的容积             D．使用更有效的催化剂
E．将水蒸气从体系中分离出
（4）500℃条件下，测得某时刻，CO₂（g）、H₂（g）、CH₃OH（g）和H₂O（g）的浓度均为0.5mol/L，则此时v（正）＞ v（逆）（填“＞”“＜”或“=”）
（5）下列措施能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是CD．
A．升高温度  B．在原容器中充入1molHeC．将水蒸气从体系中分离出    D．缩小容器容积，增大压强．

Answer 1

分析 （1）由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式可知氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量3倍为2.25mol/L，据此计算；先根据浓度变化计算平衡时各物质的浓度，CH₃OH的体积分数等于甲醇的物质的量浓度与总物质的量浓度之比；根据升高温度平衡向吸热反应方向移动判断；
（2）平衡常数等于生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比值；升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小；
（3）要提高CO₂的转化率，应使平衡向正反应方向移动，根据平衡移动原理结合选项判断；
（4）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；
（5）要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动．

解答 解：（1）由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量为0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L•mon）；
开始时c（CO₂）=1mol/L、c（H₂）=3mol/L，平衡时c（CO₂）=0.25mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，则c（H₂）=3mol/L-0.75mol/L×3=0.75mol/L，CH₃OH的体积分数等于甲醇的物质的量浓度与总物质的量浓度之比，所以甲醇的体积分数=$\frac{0.75mol/L}{（0.25+0.75+0.75+0.75）mol/L}$×100%=30%
根据图象知，升高温度，逆反应速率大于正反应速率，平衡向逆反应方向移动，则正反应是放热反应；
故答案为：0.225mol/（L•min）；30%；放热；
（2）由（1）可知平衡时各组分的浓度c（CO₂）=0.25mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，则c（H₂）=3mol/L-0.75mol/L×3=0.75mol/L，所以k=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）•c（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）•c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.75{\;}^{3}}$=5.33，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，
故答案为：5.33；减小；
（3）A．在原容器中再充入1mol H₂，平衡向正反应方向移动，CO₂的转化率增大，故正确；
B．在原容器中再充入1molCO₂CO₂的转化率反而减小，故错误；
C．缩小容器的容积即增大压强，平衡向正反应方向移动，CO₂的转化率增大，故正确；
D．使用更有效的催化剂，平衡不移动，CO₂的转化率不变，故错误；
E．将水蒸气从体系中分离出，平衡向正反应方向移动，CO₂的转化率增大，故正确；
故答案为：BD；
（4）500℃条件下，测得某时刻，CO₂（g）、H₂（g）、CH₃OH（g）和H₂O（g）的浓度均为0.5mol/L，浓度商Q=$\frac{0.5×0.5}{0.5×0.5{\;}^{3}}$=4＜K=5.33，说明反应正向进行v_正＞v_逆；
故答案为：＞；
（5）要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动，
A．因正反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，但对反应物质来说，浓度没有变化，平衡不移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应方法移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正确；
D．缩小容器容积，增大压强，平衡向正反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正确．
故答案为：CD．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算以及平衡移动等问题，题目难度较大，注意根据图象计算各物质的平衡浓度为解答该题的关键．