Question

17．甲醇（沸点：64.7^oC）是一种清洁能源，制取甲醇的成熟的方法有很多，利用CO₂和H₂甲醇制甲醇的反应方程式如下：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.4kJ/mol
Ⅰ．一定条件下，向容积为2L恒容密闭容器中充入1.2mol CO₂（g）和2.8mol H₂（g），在不同温度下达平衡时，CH₃OH的体积分数变化曲线如图1所示．
（1）保持T₁恒温下，从开始到平衡所需时间为10分钟．测定平衡时容器内压强为P₁MPa．
①开始到平衡的平均反应速率v（CO₂）=0.04mol/（L•min）
②该温度下反应的平衡常数K=100（mol/L）^-2
（2）使上述反应在T₂（T₁＜T₂）的恒温下进行并达平衡．测定到平衡所需是为t₂分钟，平衡时容器内压强为P₂ MPa．则t₂＜10；P₂＞ P₁（填＞、＜或=）
Ⅱ．某研究小组通过实验探究不同的氢碳比[n（H₂）/n（CO₂）]对反应物转化率的影响．
向容积为2L的恒温恒容密闭容器，把总物质的量为4mol的H₂ （g）和CO₂ （g）以不同的氢碳比[n（H₂）/n（CO₂）]开始进行反应，分别达到平衡时，测定剩余CH₃OH的浓度以计算CO₂（g）或H₂（g）的转化率．
（3）图2画出了CO₂（g）转化率的变化曲线，请在图中画出H₂（g）的转化率的变化曲线（以A为起点），并作相应的标注．

Ⅲ．利用利用CO₂和H₂也可以制取另一种重要的有机溶剂甲醚CH₃OCH₃．
已知2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-25．kJ/mol写出利用CO₂和H₂制取甲醚的热化学方程式2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-123.8kJ/mol．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）一定条件下，向容积为2L恒容密闭容器中充入1.2mol CO₂（g）和2.8mol H₂（g），在不同温度下达平衡时，保持T₁恒温下，从开始到平衡所需时间为10分钟．CH₃OH的体积分数为33.3%即为$\frac{1}{3}$，设反应的二氧化碳物质的量浓度为x，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.6             1.4               0                0
变化量（mol/L）    x               3x                x                 x
平衡量（mol/L）  0.6-x         1.4-3x            x                 x
$\frac{x}{2-2x}$=$\frac{1}{3}$
x=0.4mol/L
①开始到平衡的平均反应速率v（CO₂）=$\frac{△c}{△t}$；
②该温度下反应的平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（2）保持T₁恒温下，从开始到平衡所需时间为10分钟．测定平衡时容器内压强为P₁MPa，使上述反应在T₂（T₁＜T₂）的恒温下进行并达平衡．测定到平衡所需是为t₂分钟，平衡时容器内压强为P₂ MPa，温度升高反应速率增大，达到平衡所需时间缩短，反应为放热反应，升温平衡逆向进行气体物质的量增大气体压强增大；
Ⅱ．（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.4kJ/mol，反应物质以不同的氢碳比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$反应，当比值越二氧化碳的转化率越大，氢气转化率减小，比值为3时和反应比相同，二者转化率相同，据此画出氢气转化率变化曲线；
Ⅲ．已知①2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-25．kJ/mol，
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.4kJ/mol
盖斯定律计算得到：②×2+①得到所需热化学方程式．

解答 解：Ⅰ．（1）一定条件下，向容积为2L恒容密闭容器中充入1.2mol CO₂（g）和2.8mol H₂（g），在不同温度下达平衡时，保持T₁恒温下，从开始到平衡所需时间为10分钟．CH₃OH的体积分数为33.3%即为$\frac{1}{3}$，设反应的二氧化碳物质的量浓度为x，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.6             1.4               0                0
变化量（mol/L）    x               3x                x                 x
平衡量（mol/L）  0.6-x         1.4-3x            x                 x
$\frac{x}{2-2x}$=$\frac{1}{3}$
x=0.4mol/L
①开始到平衡的平均反应速率v（CO₂）=$\frac{0.4mol/L}{10min}$=0.04mol/（L•min），故答案为：0.04；
②该温度下反应的平衡常数K=$\frac{0.4×0.4}{0.2×0．{2}^{3}}$=100（mol/L）^-2，故答案为：100（mol/L）^-2；
（2）保持T₁恒温下，从开始到平衡所需时间为10分钟．测定平衡时容器内压强为P₁MPa，使上述反应在T₂（T₁＜T₂）的恒温下进行并达平衡．测定到平衡所需是为t₂分钟，平衡时容器内压强为P₂ MPa，温度升高反应速率增大，达到平衡所需时间缩短，t₂＜10，反应为放热反应，升温平衡逆向进行气体物质的量增大气体压强增大，
P₂＞P₁，
故答案为：＜；＞；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.4kJ/mol，反应物质以不同的氢碳比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$反应，当比值越二氧化碳的转化率越大，氢气转化率减小，比值为3时和反应比相同，二者转化率相同，据此画出氢气转化率变化曲线为：

故答案为：；

Ⅲ．已知①2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-25．kJ/mol，
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.4kJ/mol
盖斯定律计算得到：②×2+①得到：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-123.8 kJ/mol
故答案为：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-123.8 kJ/mol．

点评 本题考查了化学反应速率、平衡影响因素、平衡常数计算、图象的理解应用、热化学方程式书写等知识点，掌握基础是解题关键，题目难度中等．