Question

15．能源問題是人類社會面臨的重大課題，甲醇是未來重要的綠色能源之一．
（1）利用工業(yè)廢氣CO₂可制取甲醇，已知常溫常壓下下列反應(yīng)的能量關(guān)系如圖：

則CO₂與H₂反應(yīng)生成CH₃OH的熱化學(xué)方程式為CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol
（2）CH₄和H₂O（g）通過下列轉(zhuǎn)化也可以制得CH₃OH；
I．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁＞0
II．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂＜0
將1.0molCH₄和3.0molH₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L）中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．

①已知溫度為T₁℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為0.003 mol•L^-1•min^-1；
②圖中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”），判斷的理由是該反應(yīng)正方向為體積增大的方向，相同溫度下，壓強(qiáng)越大甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，P₂ 的轉(zhuǎn)化率比P₁小，說明P₂＜P₁；．
③若反應(yīng)II在恒容密閉容器進(jìn)行，下列能判斷反應(yīng)II達(dá)到平衡狀態(tài)的是cd（填序號）．
a．生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率相等    b．混合氣體的密度不變
c．混合氣體的總物質(zhì)的量不變                 d．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化
④在某溫度下，將一定量的CO和H₂投入10L的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)II，5min時達(dá)到平衡，各物質(zhì)的物質(zhì)的濃度（mol•L^-1）變化如下表所示：

	0min	5min	10min
CO	0.1		0.05
H2	0.2		0.2
CH3OH	0	0.04	0.05

若5min時只改變了某一條件，10min時測得各物質(zhì)濃度如表，則所改變的條件是向容器中充入1molH₂；10min時v_正＞v_逆（填“＜”、“＞”或“=”）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖1中能量變化寫出反應(yīng)的熱化學(xué)方程式，然后根據(jù)蓋斯定律寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式；
（2）T₁℃時達(dá)到平衡時，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質(zhì)的量；
①根據(jù)v=$\frac{\frac{△n}{V}}{t}$計算v（H₂）；
②該反應(yīng)正方向為體積增大的方向，增大壓強(qiáng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小；
③可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)體系中各物質(zhì)物質(zhì)的量不變、物質(zhì)的量濃度不變、百分含量不變以及由此引起的一系列物理量不變，據(jù)此分析解答；
④根據(jù)5min和10min時各物質(zhì)濃度的變化來確定改變條件，反應(yīng)達(dá)到平衡時，根據(jù)反應(yīng)方程式知各物理量之間的關(guān)系式知，c（CO）=0.1mol/L-0.04mol/L=0.06mol/L，C（H₂）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，10min時，c（CO）減小，c（H₂）增大，c（CH₃OH）增大，則平衡向正反應(yīng)方向移動，但氫氣濃度增大，所以改變的物理量是增大了氫氣的濃度；5min時達(dá)到平衡狀態(tài)，根據(jù)濃度求出平衡常數(shù)k，然后根據(jù)10min時的濃度計算Qc，再根據(jù)k與Qc之間的關(guān)系判斷．

解答 解：（1）圖1中的熱化學(xué)方程式為①CO（g）+H₂O（l）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（l）△H=-（510-419）kJ/mol=-91KJ/mol，
依據(jù)蓋斯定律②-①得：二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知T₁℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0         0
變化量（mol）：0.5      0.5      0.5       1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5      0.5       1.5
①假設(shè)T₁℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=$\frac{1.5mol}{\frac{100L}{5min}}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②該反應(yīng)正方向為體積增大的方向，相同溫度下，增大壓強(qiáng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，由圖可知，相同溫度下，P₂ 的轉(zhuǎn)化率比P₁小，說明P₂＜P₁；
故答案為：＜；該反應(yīng)正方向為體積增大的方向，相同溫度下，壓強(qiáng)越大甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，P₂ 的轉(zhuǎn)化率比P₁小，說明P₂＜P₁；
③a．生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率均為正反應(yīng)速率，不能判斷平衡狀態(tài)，故錯誤；
b．混合氣體的體積始終保持不變，質(zhì)量守恒，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能判斷平衡狀態(tài)，故錯誤；
c．該反應(yīng)為氣體的物質(zhì)的量減少的反應(yīng)，混合氣體的總物質(zhì)的量不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
d．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化，說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
故答案為：cd；
④反應(yīng)達(dá)到平衡時，根據(jù)反應(yīng)方程式知各物理量之間的關(guān)系式知，c（CO）=0.1mol/L-0.04mol/L=0.06mol/L，C（H₂）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，10min時，c（CO）減小，c（H₂）增大，c（CH₃OH）增大，則平衡向正反應(yīng)方向移動，但氫氣濃度增大，所以改變的物理量是增大了氫氣的濃度，氫氣濃度增大了0.2mol/L-0.12mol/L+0.02mol/L=0.1mol/L，則加入的氫氣的物質(zhì)的量為10L×0.1mol/L=1mol；
5min時達(dá)到平衡狀態(tài)，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△
開始濃度（mol/L）：0.1      0.2       0
轉(zhuǎn)化濃度（mol/L）：0.04     0.08     0.04    
平衡濃度（mol/L）：0.06     0.12     0.04
則k=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$=46.3
10min時Qc=$\frac{0.05}{0.05×0．{2}^{2}}$=25＜k，所以反應(yīng)向正方向進(jìn)行，即v_正＜v_逆；
故答案為：向容器中充入1molH₂；＜．

點評 本題考查了化學(xué)平衡移動原理、平衡常數(shù)的有關(guān)計算、蓋斯定律等知識點，注意把握化學(xué)平衡常數(shù)的有關(guān)計算方法，難點化學(xué)平衡移動的分析和計算，要結(jié)合濃度該變量來確定改變條件，難度中等．