Question

19．科学家提出“绿色自由”构想，把空气中的CO₂转化为可再生能源甲醇（CH₃OH）．该反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
（1）若在一个定温定容的容器中发生上述反应，反应达到平衡的标志是BC．
A．CO₂和CH₃OH的浓度相等       B．H₂的百分含量保持不变
C．容器内压强保持不变            D．3v_正（H₂）=v_逆（H₂O）
E．容器中混合气体的密度保持不变
（2）若将CO₂和H₂的混合气体分成五等份，将它们分别充入温度不同、容积相同的恒容容器中发生上述反应．反应相同时间后，测得甲醇的体积分数 ?（CH₃OH）与反应温度T的关系如图1，则上述CO₂转化为甲醇的反应的△H＜0（填“＞”、“＜”、“=”）
（3）上述反应在实际生产中采用的温度是300℃，其目的是加快反应速率，使催化剂活性较高．
（4）300℃时，将CO₂与H₂按1：3的体积比充入某密闭容器中，CO₂的平衡转化率（a）与体系总压强（P）的关系如图2所示．回答问题：
①若其他条件不变，将A点的体积压缩至原来的一半，一段时间后反应再次达到平衡，与原平衡相比较下列说法正确的是CD．
A．CO₂的浓度减小                     B．正反应速率增大，逆反应速率减小
C．CO₂和H₂的体积比仍然是1：3         D．H₂的体积分数减小
②B点平衡混合气体的平均摩尔质量为22.7g/mol（保留一位小数）．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）由图可知，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行；
（3）采用300℃的温度，可以加快反应速率，且催化剂活性较高；
（4）①A．体积压缩，反应混合物各组分浓度均增大；
B．体积压缩，压强增大，正、逆反应速率都增大；
C．CO和H₂按1：3的体积比投入，且二者按物质的量1：3反应，反应体系中CO₂和H₂的体积比始终为1：3；
D．压缩体积，增大压强，平衡正向移动，H₂的体积分数减小；
②由CO₂与H₂按1：3的体积比，设二氧化碳的物质的量为1mol，则氢气的物质的量为3mol，而平衡时CO₂的平衡转化率90%，根据三行式分析解答．

解答 解：（1）A．CO₂和CH₃OH的浓度相等，并不是不变，所以不能说明达平衡状态，故错误；       
 B．H₂的百分含量保持不变，说明各物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；
C．容器内压强保持不变，说明气体的总物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；            
D．达平衡时应有：v_正（H₂）=3v_逆（H₂O），故错误；
E．容器中混合气体的密度一直保持不变，故错误；
故选：BC；
（2）由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，平衡向逆反应进行，升高温度平衡吸热方向进行，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：＜；
（3）采用300℃的温度，可以加快反应速率，且催化剂活性较高，
故答案为：加快反应速率，使催化剂活性较高；
（4）①A．体积压缩，反应混合物各组分浓度均增大，故A错误；
B．体积压缩，压强增大，正、逆反应速率都增大，故B错误；
C．CO和H₂按1：3的体积比投入，且二者按物质的量1：3反应，反应体系中CO₂和H₂的体积比始终为1：3，故C正确；
D．压缩体积，增大压强，平衡正向移动，H₂的体积分数减小，故D正确，
故选：CD；
②由CO₂与H₂按1：3的体积比，设二氧化碳的物质的量为1mol，则氢气的物质的量为3mol，而平衡时CO₂的平衡转化率90%，
          CO₂（g）+3H₂（g）→CH₃OH（g）+H₂O（g）
初起量：1mol     3mol             0                    0
变化量：0.9mol   2.7mol        0.9mol       0.9mol   
平衡量：0.1mol   0.3mol       0.9mol       0.9mol   
所以B点平衡混合气体的平均摩尔质量为：$\frac{44+6}{2.2}$=22.7g/mol，故答案为：22.7g/mol．

点评 本题考查化学平衡状态、化学平衡计算与影响因素等知识点，难度中等，注意三行式在化学平衡计算中的应用．