Question

工業(yè)上可以利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，其反應(yīng)方程式為：CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O．請(qǐng)回答下列問題：
（1）已知常溫常壓下下列反應(yīng)的能量變化如圖1所示：

寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式

 

．該反應(yīng)的△S

 

0（填“＞”或“＜”或“=”），在

 

情況下有利于該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行．
（2）如果上述反應(yīng)方程式的平衡常數(shù)K值變大，則該反應(yīng)

 

（選填編號(hào)）．
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）如果上述反應(yīng)在體積不變的密閉容器中發(fā)生，能說明反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是

 

（選填編號(hào)）．
A．3v_正（H₂）═v_逆（CO₂）      
B．C（H₂）═C（CO₂）
C．容器內(nèi)氣體的密度不變
D．容器內(nèi)壓強(qiáng)不變
（4）若反應(yīng)的容器容積為2.0L，反應(yīng)時(shí)間4.0min，容器內(nèi)氣體的密度減小了2.0g/L，在這段時(shí)間內(nèi)C0₂的平均反應(yīng)速率為

 

．反應(yīng)在t₁時(shí)達(dá)到平衡，過程中c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線圖2所示．保持其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，請(qǐng)畫出t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線（t₂達(dá)到新的平衡）．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷,反應(yīng)熱和焓變,反應(yīng)速率的定量表示方法,化學(xué)平衡的影響因素

專題：有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)

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；根據(jù)反應(yīng)前后氣體體積的變化判斷△S；△G=△H-T?△S進(jìn)行判斷，如△G＜0，則反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，如△G＞0，則不能自發(fā)進(jìn)行；
（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）可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，一定滿足正逆反應(yīng)速率相等，根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征進(jìn)行判斷；
（4）根據(jù)氣體密度的變化計(jì)算出反應(yīng)消耗的二氧化碳的物質(zhì)的量，再計(jì)算出二氧化碳的平均反應(yīng)速率；根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響畫出t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線．

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；
該反應(yīng)前后氣體體積減小，則△S＜0；
△G=△H-T?△S＜0時(shí)，反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，而△S＜0，則溫度降低時(shí)△G＜0，該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-50KJ/mol；＜；低溫；
（2）如果反應(yīng)方程式CO₂+3H₂?CH₃OH+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，由于平衡向著正向移動(dòng)，則逆反應(yīng)速率先減小后增大，故D正確；
故答案為：AD；
（3）A．3v_正（H₂）═v_逆（CO₂），表示的是正逆反應(yīng)速率，但是不滿足化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系，說明該反應(yīng)沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；      
B．c（H₂）═c（CO₂），氫氣與二氧化碳濃度相等，不能說明正逆反應(yīng)速率相等，無法判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；
C．容器內(nèi)氣體的密度不變，該反應(yīng)是氣體質(zhì)量減小的反應(yīng)，反應(yīng)過程中氣體的質(zhì)量不斷減小，密度不斷減小，當(dāng)密度不變時(shí)，則反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．該反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)達(dá)到平衡前容器內(nèi)壓強(qiáng)不斷減小，當(dāng)容器內(nèi)壓強(qiáng)不變，則表明各組分濃度不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故D正確；
故答案為：CD；
（4）若反應(yīng)的容器容積為2.0L，反應(yīng)時(shí)間4.0min，容器內(nèi)氣體的密度減小了2.0g/L，則氣體減小的質(zhì)量為：2.0g/L×2.0L=4.0g，
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（l）+H₂O（l） 氣體減少質(zhì)量△m
1mol                                    50g
 n                                     4.0g
反應(yīng)消耗的二氧化碳的質(zhì)量為：m=

1mol×4.0g

50g

=0.08mol，
在4min內(nèi)C0₂的平均反應(yīng)速率為：

0.08mol 2L

4min

=0.01mol．L^-1；
保持其他條件不變，t₁時(shí)將容器體積壓縮到1L，t₁時(shí)二氧化碳的濃度立刻增大為原先的2倍，即由0.025mol變?yōu)?.05mol，之后平衡向著正向移動(dòng)，二氧化氮濃度減小，直至t₂時(shí)達(dá)到新的平衡，t₂時(shí)二氧化碳的濃度一定大于0.025mol，則t₁后c（CO₂）隨時(shí)間t變化趨勢(shì)曲線為：，

故答案為：0.01mol．L^-1．min^-1；．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷等知識(shí)，題目難度較大，試題涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，充分考查了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況，試題有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．