Question

5．为实现“节能减排”和“低碳经济”的一项课题是如何将CO₂转化为可利用资源．目前，工业上常用CO₂来生产燃料甲醇．现进行如下实验：在体积为l L的密闭恒容容器中，充入l mol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．
测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示．
①该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②从反应开始到平衡时，CH₃OH的平均反应速率v（CH₃OH）=0.075mol/（L•min）（注明单位）；H₂的转化率=75%；
③下列说法中，能说明上述反应达到平衡状态的是C
A．每消耗1mol CO₂的同时生成1mol CH₃OH
B．CO₂、H₂、CH₃OH和H₂O的物质的量的比为1：3：1：1
C．容器中气体的压强不再改变
D．容器中气体的密度不再改变
④下列措施中，能使上述平衡状态向正反应方向移动的是BD
A．升高温度                     B．将CH₃OH（g）从体系中分离
C．使用高效催化剂               D．恒温恒容再充入1molCO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）二氧化碳是反应物，随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大，10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L，根据c=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH），由方程式可知△c（H₂）=3c（CH₃OH）=2.25mol/L，则△n（H₂）=1L×2.25mol/L=2.25mol，再计算氢气转化率；
（3）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变化说明到达平衡；
（4）A．升高温度，平衡向吸热反应方向移动；
B．将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量平衡正向进行；
C．选择高效催化剂不影响平衡移动；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动．

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）二氧化碳是反应物，随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大，10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L，
则v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），
由方程式可知△c（H₂）=3c（CH₃OH）=2.25mol/L，则△n（H₂）=1L×2.25mol/L=2.25mol，氢气转化率=$\frac{2.25mol}{3mol}$×100%=75%，
故答案为：0.075mol/（L•min）；75%；
（3）A．每消耗1mol CO₂的同时生成1mol CH₃OH，均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，故A错误；
B．平衡时CO₂、H₂、CH₃OH和H₂O的物质的量的比，与反应物起始量及转化率有关，平衡时不一定等于化学计量数之比，故B错误；
C．随反应进行混合气体物质的量增大，恒温恒容下压强增大，当容器中气体的压强不再改变，说明到达平衡，故C正确；
D．混合气体总质量不变，容器的容积不变，容器中气体的密度为定值，故D错误，
故选：C；
（4）A．反应是放热反应，升温平衡逆向进行，故A错误；
B．将CH₃OH（g）及时液化抽出，生成物浓度减小，平衡正向进行，故B正确；
C．选择高效催化剂只能改变速率，不影响化学平衡移动，故C错误；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大压强，平衡正向进行，故D正确，
故选：BD．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算与影响因素、平衡状态判断、平衡常数，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，为高考常见题型，注意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变化说明到达平衡．