Question

20．根据现代工业技术可以用H₂和CO反应来生产燃料甲醇，其反应方程式如下：CO₂ （g）+3H₂（g）?H₂O（l）+CH₃OH（g）△H=-49.00kJ•mol^-1
一定温度下，在体积为1L的密闭容器中充入1.00mol CO₂和3.00mol H₂，测得CO₂和CH₃OH的浓度随时间变化如图所示．
①能说明该反应已达平衡状态的是A（填代号）．
A．CO₂在混合气体中的体积分数保持不变
B．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4mol H₂O
C．反应中H₂O与CH₃OH的物质的量浓度比为1：1，且保持不变
②从反应开始到平衡时的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L．min），达到平衡时氢气的转化率为75%．
③该温度下的平衡常数表达式为$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
④下列的条件一定能加快反应速率并且提高H₂转化率的是D（填代号）．
A．降低反应温度         B．分离出水C．保持容器体积不变，充入稀有气体D．保持容器体积不变，充入CO₂气体．

Answer 1

分析 ①可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不再变化说明到达平衡；
②由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇浓度变化量为0.75mol/L，根据方程式可知氢气浓度变化为0.75mol/L×3=2.25mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂），根据△n=△c×V计算参加反应氢气物质的量，进而计算氢气转化率；
③化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，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，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
④升高温度、增大压强、增大物质浓度、使用催化剂可以加快反应速率，要提高H₂转化率，应使平衡正向移动，但不能只增大氢气浓度，否则氢气转化率会降低．

解答 解：①A．平衡时各组分的含量保持不变，故CO₂在混合气体中的体积分数保持不变，说明反应到达平衡，故A正确；
B．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4mol H₂O，均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，不能说明到达平衡，应是“单位时间内每消耗1.2mol H₂同时生成0.4mol H₂O时，反应到达平衡”，故B错误；
C．反应中H₂O与CH₃OH的物质的量浓度比始终为1：1，不能说明到达平衡，故C错误，
故答案为：A；
②由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇浓度变化量为0.75mol/L，根据方程式可知氢气浓度变化为0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L．min），参加反应氢气物质的量为2.25mol/L×1L=2.25mol，氢气转化率为$\frac{2.25mol}{3mol}$×100%=75%，
故答案为：0.225mol/（L．min）；75%；
③CO₂ （g）+3H₂（g）?H₂O（l）+CH₃OH（g）的化学平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④A．降低反应温度，反应速率减慢，故A错误；
B．水为液体，分离出水，反应速率不变，不影响平衡移动，氢气转化率不变，故B错误；
C．保持容器体积不变，充入稀有气体，混合气体各组分浓度不变，反应速率不变、平衡不移动，氢气转化率不变，故C错误；
D．保持容器体积不变，充入CO₂气体，二氧化碳浓度增大，反应速率加快，平衡正向移动，氢气转化率增大，故D正确，
故答案为：D．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率计算及影响因素、平衡常数、反应热计算等，注意平衡常数表达式书写时，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出．