Question

1．2013年霧霾天氣多次肆虐我國中東部地區(qū)．其中，汽車尾氣和燃煤尾氣是造成空氣污染的原因之一．
（1）CO₂是大氣中含量最高的一種溫室氣體，控制和治理CO₂是解決溫室效應(yīng)的有效途徑．目前，由CO₂來合成二甲醚已取得了較大的進(jìn)展，其化學(xué)反應(yīng)是：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．
①寫出該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$．
②判斷該反應(yīng)在一定條件下，體積恒定的密閉容器中是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是BD．
A．容器中密度不變
B．單位時(shí)間內(nèi)消耗2molCO₂，同時(shí)消耗1mol二甲醚
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3
D．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變
（2）汽車尾氣凈化的主要原理為：2NO（g）+2CO （g） $\stackrel{催化劑}{?}$2CO₂ （g）+N₂ （g）．在密閉容器中發(fā)生該反應(yīng)時(shí)，c（CO₂）隨溫度（T）、催化劑的表面積（S）和時(shí)間（t）的變化曲線，如圖所示．據(jù)此判斷：
①該反應(yīng)的△H＜0（選填“＞”、“＜”）．
②當(dāng)固體催化劑的質(zhì)量一定時(shí)，增大其表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率．若催化劑的表面積S₁＞S₂，在圖中畫出c（CO₂）在T₂、S₂條件下達(dá)到平衡過程中的變化曲線．
（3）已知：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-a kJ•mol^-1．
①經(jīng)測定不同溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)如下：

溫度（℃）	250	300	350
K	2.041	0.270	0.012

若某時(shí)刻、250℃測得該反應(yīng)的反應(yīng)物與生成物的濃度為c（CO）=0.4mol•L^-1、c（H₂）=0.4mol•L^-1、c（CH₃OH）=0.8mol•L^-1，則此時(shí)v_正＜v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②某溫度下，在體積固定的2L的密閉容器中將1mol CO和2mol H₂混合，測得不同時(shí)刻的反應(yīng)前后壓強(qiáng)關(guān)系如下：

時(shí)間（min）	5	10	15	20	25	30
壓強(qiáng)比（P后/P前）	0.98	0.90	0.80	0.70	0.70	0.70

則前15分鐘，用氫氣表示的平均化學(xué)反應(yīng)速率為0.02mol•（L•min）^-1，達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為45%．

Answer 1

分析 （1）①化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{生成物濃度系數(shù)冪次方}{反應(yīng)物濃度系數(shù)冪次方}$；
②當(dāng)正逆反應(yīng)速率相等、各組分濃度保持不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，據(jù)此判斷；
（2）①根據(jù)到達(dá)平衡的時(shí)間判斷溫度高低，根據(jù)平衡時(shí)二氧化碳的濃度判斷溫度對平衡的影響；
②若催化劑的表面積S₁＞S₂，由增大其表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率，故T₂、S₂條件下到達(dá)平衡時(shí)間比T₂、S₁的時(shí)間更長，但不影響化學(xué)平衡移動(dòng)，平衡時(shí)二氧化碳的濃度不變；
（3）①依據(jù)計(jì)算濃度商和該溫度下的平衡常數(shù)比較分析判斷反應(yīng)進(jìn)行方向；
②溫度、體積不變的可逆反應(yīng)中，氣體的壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，據(jù)此計(jì)算反應(yīng)后氣體體積的物質(zhì)的量，從而計(jì)算氫氣反應(yīng)的物質(zhì)的量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算反應(yīng)速率；根據(jù)平衡時(shí)CO反應(yīng)的物質(zhì)的量結(jié)合轉(zhuǎn)化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%計(jì)算其轉(zhuǎn)化率．

解答 解：（1）①化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{生成物濃度系數(shù)冪次方}{反應(yīng)物濃度系數(shù)冪次方}$，則2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$，故答案為：K=$\frac{[CH{\;}_{3}OCH{\;}_{3}]•[H{\;}_{2}O]{\;}^{3}}{[CO{\;}_{2}]{\;}^{2}•[H{\;}_{2}]{\;}^{6}}$；
②A．恒容容器中，體積不變，據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，密度始終不變，所以容器中密度不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．單位時(shí)間內(nèi)消耗2molCO₂，同時(shí)消耗1mol二甲醚，說明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．v（CO₂）：v（H₂）的比值，無論正向進(jìn)行、逆向進(jìn)行還是平衡時(shí)正逆向進(jìn)行，始終與化學(xué)計(jì)量數(shù)相同為1：3，所以v（CO₂）：v（H₂）=1：3不能說明正逆反應(yīng)速率相等，不能證明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；
D．該反應(yīng)前后氣體體積不等，所以容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變，說明各組分濃度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D正確；
故答案為：BD；
（2）①由圖可知，溫度T₁先到達(dá)平衡，故溫度T₁＞T₂，溫度越高平衡時(shí)，二氧化碳的濃度越低，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，所以△H＜0，故答案為：放熱；＜；
②若催化劑的表面積S₁＞S₂，由增大其表面積可提高化學(xué)反應(yīng)速率，故T₂、S₂條件下到達(dá)平衡時(shí)間比T₂、S₁的時(shí)間更長，但不影響化學(xué)平衡移動(dòng)，平衡時(shí)二氧化碳的濃度不變，在圖中畫出c（CO₂）在T₂、S₂條件下達(dá)到平衡過程中的變化曲線為：，
故答案為：；

（3）①250℃測得該反應(yīng)的反應(yīng)物與生成物的濃度為c（CO）=0.4mol•L^-1、c（H₂）=0.4mol•L^-1、c（CH₃OH）=0.8mol•L^-1，濃度商Q=$\frac{0.8mol/L}{0.4mol/L×（0.4mol/L）{\;}^{2}}$=12.5＞K=2.041，說明反應(yīng)逆向進(jìn)行v_正＜v_逆；
故答案為：＜；
②溫度、體積不變的可逆反應(yīng)中，氣體的壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，15min，壓強(qiáng)比（P_后/P_前）=0.80，則反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量=3mol×0.80=2.40mol，氣體減少的物質(zhì)的量=3mol-2.4mol=0.6mol，根據(jù)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）氣體減少的物質(zhì)的量等于氫氣的物質(zhì)的量，參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量0.6mol，0～15min，用H₂表示的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{15min}$=0.02 mol•（ L•min）^-1；
平衡狀態(tài)壓強(qiáng)比（P_后/P_前）=0.70，則反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量=3mol×0.70=2.10mol，氣體減少的物質(zhì)的量=3mol-2.1mol=0.9mol，根據(jù)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）氣體減少的物質(zhì)的量等于氫氣的物質(zhì)的量，所以參加反應(yīng)的CO的物質(zhì)的量$\frac{0.9mol}{2}$=0.45mol，則CO的轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.45mol}{1mol}$×100%=45%，
故答案為：0.02 mol•（ L•min）^-1；45%．

點(diǎn)評 本題考查了平衡狀態(tài)的判斷、平衡移動(dòng)原理、化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)概念的理解應(yīng)用，化學(xué)平衡的計(jì)算分析是關(guān)鍵，氣體壓強(qiáng)壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，題目難度不大．