Question

【題目】工業(yè)上可以利用廢氣中的CO2為原料制取甲醇，反應(yīng)方程式為CO2+3H2CH3OH + H2O，請(qǐng)回答下列問題：

(1)已知常溫常壓下下列反應(yīng)的能量變化如下圖所示：

寫出二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式_______________________________。

(2)如果只改變一個(gè)條件使上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K值變大，則該反應(yīng)_____________。

A．一定向正反應(yīng)方向移動(dòng) 　　　　　B．在平衡移動(dòng)時(shí)正反應(yīng)速率先增大后減小

C．一定向逆反應(yīng)方向移動(dòng) 　　　　 D．在平衡移動(dòng)時(shí)逆反應(yīng)速率先減小后增大

(3)其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同的時(shí)間后，CO2的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖所示：

①在相同條件下，三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是____________。

②c點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，原因是_________________________________。

(4)常溫常壓下若反應(yīng)的容器容積為2.0L，反應(yīng)時(shí)間為4.0 min，容器里氣體密度減少了2.0 g·，在這段時(shí)間內(nèi)CO2平均反應(yīng)速率為_____________。反應(yīng)在t1時(shí)達(dá)到平衡，在這過程中c(CO2)隨時(shí)間t變化的曲線如下圖所示。保持其他條件不變，t1時(shí)將容器體積壓縮到1 L，請(qǐng)?jiān)谙聢D中畫出t1后c(CO2)隨時(shí)間t變化的趨勢(shì)曲線（假設(shè)在t2時(shí)達(dá)到平衡）_________。

Answer 1

【答案】CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH=－50 kJ·mol－1 AD Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率較快，故CO2的轉(zhuǎn)化率較大 0.01 mol·L-1·min-1

【解析】

（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）平衡常數(shù)只受溫度的影響，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡常數(shù)增大，則平衡向著正向移動(dòng)，說明降低了溫度，據(jù)此進(jìn)行解答；

（3）根據(jù)圖像判斷在相同溫度下，三種不同的催化劑，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率大小關(guān)系；b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，且c點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，因此對(duì)應(yīng)的是條件是溫度高，反應(yīng)速率較快；

（4）根據(jù)容器內(nèi)氣體的密度減小量，可以求出氣體的質(zhì)量減小的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量差量法進(jìn)行計(jì)算；氣體體積減小一半，二氧化碳的濃度增大一倍，c(CO2) =0.05mol/L，但該過程相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) 平衡向右移動(dòng)，所以0.025mol/L <c(CO2) <0.05mol/L，據(jù)此規(guī)律畫圖。

（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，根據(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；因此，本題正確答案是：CO2（g）+3H2（g）=CH3OH（l）+H2O（l）△H=-50KJ/mol。

（2）如果反應(yīng)方程式CO2+3H2CH3OH+H2O的平衡常數(shù)K值變大，則需要降低溫度，
A．降低溫度，平衡一定向著正向移動(dòng)，故A正確；
B．降低溫度后，正逆反應(yīng)速率都減小，正反應(yīng)速率在達(dá)到平衡前始終在減小，故B錯(cuò)誤；
C．平衡常數(shù)變大，反應(yīng)物濃度減小，生成物濃度增大，則化學(xué)平衡一定向著正向移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；
D．化學(xué)平衡常數(shù)變大，需要降低溫度，則正逆反應(yīng)速率都減小，因?yàn)槠胶庀蛑�正向移�?dòng)，則逆反應(yīng)速率先減小后增大，故D正確；
因此，本題正確答案是：AD；

(3)①由圖可知：在相同溫度下，三種不同的催化劑，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以在相同條件下，三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；綜上所述，本題答案是：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。

②c點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，是因?yàn)閎、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率較快；綜上所述，本題答案是：b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率較快，故CO2的轉(zhuǎn)化率較大。

(4)反應(yīng)的容器容積為2.0L，容器內(nèi)氣體的密度減小了2.0g/L，則氣體的質(zhì)量減小了2.0g/L×2.0L=4.0g，

CO2 +3H2 CH3OH +H2O

1mol m 50g

nmol 4g

所以二氧化碳減少的物質(zhì)的量為：n(CO2)=0.08mol，因此V(CO2)=Δc(CO2)÷Δt= (0.08mol÷2L)÷4min=0.01mol/(L·min)。由圖像可知：反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)中起始時(shí)c(CO2)=0.10mol/L，平衡是c(CO2)=0.025mol/L，保持其他條件不變，t1時(shí)將容器體積壓縮到1L，二氧化碳的濃度為c(CO2)=0.05mol/L，之后平衡向著正向移動(dòng)，二氧化碳的濃度減小，直到t2時(shí)刻達(dá)到平衡，t2時(shí)刻二氧化碳的濃度一定大于0.025 mol/L，則t1時(shí)刻之后圖像如圖：；

綜上所述，本題答案是：0.01 mol·L-1·min-1 ；。