Question

【題目】近年來對CO2的有效控制及其高效利用的研究正引起全球廣泛關注．由CO2制備甲醇過程可能涉及反應如下：
反應Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1
反應Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2
反應Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1

回答下列問題：
（1）反應Ⅱ的△H2= ， 反應Ⅲ自發進行條件是（填“較低溫”、“較高溫”或“任何溫度”）．
（2）在一定條件下2L恒容密閉容器中充入一定量的H2和CO2僅發生反應Ⅰ，實驗測得在不同反應物起始投入量下，反應體系中CO2的平衡轉化率與溫度的關系曲線，如圖1所示．
①據圖可知，若要使CO2的平衡轉化率大于40%，以下條件中最合適的是
A．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol； 650KB．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.7mol；550K
C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.9mol； 650KD．n（H2）=3mol，n（CO2）=2.5mol；550K
②在溫度為500K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 該反應10min時達到平衡：
a．用H2表示該反應的速率為；
b．該溫度下，反應I的平衡常數K=；
c．在此條件下，系統中CH3OH的濃度隨反應時間的變化趨勢如圖所示，當反應時間達到3min時，迅速將體系溫度升至600K，請在圖2中畫出3～10min內容器中CH3OH濃度的變化趨勢曲線：
（3）某研究小組將一定量的H2和CO2充入恒容密閉容器中并加入合適的催化劑（發生反應I、Ⅱ、Ⅲ），測得在不同溫度下體系達到平衡時CO2的轉化率（a）及CH3OH的產率（b），如圖3所示，請回答問題：
①該反應達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是（選填編號）．
A．改用高效催化劑 B．升高溫度C．縮小容器體積 D．分離出甲醇 E．增加CO2的濃度
②據圖可知當溫度高于260℃后，CO的濃度隨著溫度的升高而（填“增大”、“減小”、“不變”或“無法判斷”），其原因是 ．

Answer 1

【答案】
（1）+41.19 kJ?mol﹣1；降低溫
（2）B；0.135 mol?L﹣1?min﹣1；200； ， ；
（3）CE；增大；反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO2轉化為CO，綜上所述，CO的濃度一定增大
【解析】解：（1）反應Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反應Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反應Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根據蓋斯定律，反應Ⅱ=反應Ⅰ﹣反應Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3=49.58kJmol﹣1）﹣（﹣90.77kJmol﹣1）=+41.19 kJmol﹣1 ，
反應Ⅲ為熵減的反應，△S＜0，反應自發進行，則△G=△H﹣T△S＜0，故要自發進行需要在較低溫下進行，故答案為：+41.19 kJmol﹣1；較低溫；（2）①A．由曲線I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 時二氧化碳的轉化率小于40%，故A錯誤；
B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時二氧化碳轉化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會增大，可能大于40%，故B正確；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K時二氧化碳轉化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會減小，故C錯誤；D．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時二氧化碳轉化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會減小，故D錯誤；故選：B；②在溫度為500K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 該反應10min時達到平衡，平衡時二氧化碳的轉化率為60%，則轉化的二氧化碳為1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.53 0 0
變化量（mol）：0.92.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.60.3 0.9 0.9
a．氫氣表示的反應速率= =0.135 molL﹣1min﹣1 ， 故答案為：0.135 molL﹣1min﹣1；
b．該溫度下，反應I的平衡常數K= =200，故答案為：200；
c．3min時未到達平衡，此時迅速將體系溫度升至600K，瞬間甲醇的濃度不變，反應速率加快，到達平衡的時間小于10min，而在溫度為600K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡時二氧化碳的轉化率約是42%，則平衡時甲醇的物質的量約是1.5mol×42%=0.63mol，則平衡時甲醇的濃度約是0.315mol/L，3～10min內容器中CH3OH濃度的變化趨勢曲線為： ，
故答案為： ；（3）①A．改用高效催化劑，能加快反應速率，縮短到達平衡的水解，但是不影響平衡的移動，甲醇生產量不變，故錯誤；
B．升高溫度，加快反應速率，正反應為放熱反應，平衡逆向移動，甲醇生產量減小，故B錯誤；C．縮小容器體積，增大壓強，加快反應速率，平衡正向移動，甲醇生產量增大，故C正確；D．分離出甲醇，平衡正向移動，甲醇生產量增大，但反應速率減慢，故C錯誤；
E．增加CO2的濃度，可以加快反應速率且使得平衡正向移動，甲醇生產量增大，故E正確，
故選：CE；②反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO2轉化為CO，所以當溫度高于260℃后，CO的濃度一定增大，故答案為：增大；反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO2轉化為CO，綜上所述，CO的濃度一定增大．
（1）反應Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣49.58kJmol﹣1反應Ⅱ：CO2（g）+H2（g）CO （g）+H2O（g）△H2反應Ⅲ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H3=﹣90.77kJmol﹣1根據蓋斯定律，反應Ⅱ=反應Ⅰ﹣反應Ⅲ，故△H2=△H1﹣△H3；
反應Ⅲ為熵減的反應，△G=△H﹣T△S＜0反應自發進行；（2）A．由曲線I可知，n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K 時二氧化碳的轉化率小于40%；B．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時二氧化碳轉化率小于40%，但接近40%，再移走0.3mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會增大；C．n（H2）=3mol，n（CO2）=1.5mol，650K時二氧化碳轉化率小于40%，再加入0.4mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會減�。籇．n（H2）=3mol，n（CO2）=2mol，550K時二氧化碳轉化率小于40%，再加入1mol二氧化碳等效為選項中的平衡，二氧化碳的轉化率會減��；
②在溫度為500K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 該反應10min時達到平衡，平衡時二氧化碳的轉化率為60%，則轉化的二氧化碳為1.5mol×60%=0.9mol，
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）
起始量（mol）：1.5/span> 3 0 0
變化量（mol）：0.9 2.7 0.9 0.9
平衡量（mol）：0.6 0.3 0.9 0.9
a．根據v= 計算用H2表示該反應的速率；b．計算平衡濃度，代入平衡常數表達式K= 計算；c．3min時未到達平衡，此時迅速將體系溫度升至600K，瞬間甲醇的濃度不變，反應速率加快，到達平衡的時間小于10min，而在溫度為600K的條件下，充入3mol H2和1.5mol CO2 ， 平衡時二氧化碳的轉化率約是42%，則平衡時甲醇的物質的量約是1.5mol×42%=0.63mol，則平衡時甲醇的濃度約是0.315mol/L；（3）①A．改用高效催化劑不影響平衡的移動；B．升高溫度，加快反應速率且使得平衡逆向移動；C．縮小容器體積，增大壓強，加快反應速率且使得平衡正向移動；D．分離出甲醇，不能加快反應速率誤；E．增加CO2的濃度，可以加快反應速率且使得平衡正向移動；②反應I、反應III均為放熱反應，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，反應II為吸熱反應，溫度升高使更多的CO2轉化為CO，所以當溫度高于260℃后，CO的濃度一定增大．