Question

【題目】溫室效應和資源短缺等問題和如何降低大氣中的CO2含量并加以開發利用引起了各國的普遍重視。目前工業上有一種方法是用CO2生產燃料甲醇。一定條件下發生反應：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，如圖表示該反應進行過程中能量 (單位為kJ·mol－1)的變化。

（1）關于該反應的下列說法中，正確的是________。

A．ΔH>0，ΔS>0

B．ΔH>0，ΔS<0

C．ΔH<0，ΔS<0

D．ΔH<0，ΔS>0

（2）為探究反應原理，現進行如下實驗：在體積為1 L的密閉容器中，充入1mol CO2和3mol H2，測得CO2和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如下圖所示。從反應開始到平衡，用氫氣濃度變化表示的平均反應速率v(H2)____________________， CO2轉化率為_________。相同溫度下，某一時刻若該容器中含有1mol H2、1.2mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5mol H2O，則此時反應所處的狀態為___________________________ (填“向正反應方向進行中”、 “向逆反應方向進行中”或“平衡狀態”)，理由______________________________________。

（3）在溫度容積不變的條件下，能說明該反應已達平衡狀態的是________(填寫序號字母)：

a．n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶3∶1∶1

b．容器內壓強保持不變

c．容器內的密度保持不變

d．H2的消耗速率與CH3OH的消耗速率之比為3∶1

（4）下列條件能使上述反應的反應速率增大，且平衡向正反應方向移動的是________(字母)。

a．及時分離出CH3OH氣體

b．適當升高溫度

c．保持容器的容積不變，再充入1 mol CO2和3 mol H2

d．選擇高效的催化劑

Answer 1

【答案】C 0.225 mol·L－1·min－1 75% 向正反應方向進行中 QC= =1< K=5.33 bd c

【解析】

（1）由圖可知，反應物的總能量高于生成物的總能量，由反應方程式可知，該反應是一個熵減少的反應；

（2）由題給數據，運用反應速率公式和轉化率公式計算；先計算化學平衡常數，再計算濃度熵，依據濃度熵和平衡常數的相對大小判斷平衡移動方向；

（3）反應達到化學平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質濃度或百分含量保持不變；

（4）該反應是一個氣體體積減小的放熱反應，依據化學平衡移動原理進行分析。

（1）由圖可知，反應物的總能量高于生成物的總能量，該反應為放熱反應，即△H<0，由反應方程式可知，該反應是一個熵減少的反應，即△S＜0；故答案為：C；

（2）由圖可知，10min達平衡時甲醇的濃度變化量為0.75mol/L，所以v（CH3OH）==0.075mol/（Lmin），由反應速率之比等于化學計量數之比可得v（H2）=3v（CH3OH）=3×0.075mol/（Lmin）=0.225mol/（Lmin）；由圖可知，二氧化碳濃度的變化量為（1 mol/L—0.25mol/L）=0.75mol/L，則CO2轉化率為×100%=75%；平衡時甲醇的濃度為0.75mol/L，二氧化碳的濃度為0.25mol/L，氫氣的濃度為（3mol/L—0.75mol/L×3）=0.75mol/L，水蒸氣的濃度為0.75mol/L，化學平衡常數K為==5.33，某一時刻,1L該容器中含有1mol H2、1.2mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5mol H2O時，濃度熵QC= =1< K=5.33，則平衡向正反應方向進行，故答案為：0.225 mol·L－1·min－1；75%；向正反應方向進行中；QC= =1< K=5.33；

（3）a、n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OH)∶n(H2O)＝1∶3∶1∶1時，不能判斷各組分的濃度是否不再變化，無法判斷是否達到平衡狀態，故錯誤；

b、該反應是一個體積體積減小的反應，容器內壓強不變，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，故正確；

c、由質量守恒定律可知，平衡前后氣體質量不變，反應過程中在溫度容積不變的條件下，密度始終不變，所以容器內密度保持不變，無法判斷是否達到平衡狀態，故錯誤；

d、H2的消耗速率為正反應速率，CH3OH的消耗速率為逆反應速率，兩者之比為3∶1說明正反應速率等于逆反應速率，反應達到平衡狀態，故正確；

bd正確，故答案為：bd；

（4）a、及時分離出CH3OH氣體，減小生成物的量，反應速率減小，平衡向正反應方向移動，故錯誤；

b、該反應是放熱反應，升高溫度，反應速率增大，平衡向逆反應方向移動，故錯誤；

c、該反應是氣體體積減小的反應，保持容器的容積不變，再充入1molCO2和3molH2，相當于增大壓強，反應速率增大，平衡向正反應方向移動，故正確；

d、選擇高效的催化劑，反應速率增大，化學平衡不移動，故錯誤；

c正確，故答案為：c。