Question

工業上可以利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，其反應方程式為：CO₂+3H₂CH₃OH+H₂O。請回答下列問題：
（1）已知常溫常壓下下列反應的能量變化如下圖所示：

1molCO(g)+1mol H2O(l)

1molCO(g)+2mol H2(g)

1molCH3OH(l)

1molCO2(g)+1mol H2(g)

寫出由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學方程式__               _。
該反應的△S­­­­­­­­­­­­­­____0(填“>”或“<”或“=”)，在 ______情況下有利于該反應自發進行。
（2）如果上述反應方程式的平衡常數K值變大，則該反應__     （選填編號）。
A．一定向正反應方向移動   B．在平衡移動時正反應速率先增大后減小
C．一定向逆反應方向移動    D．在平衡移動時逆反應速率先減小后增大
（3）如果上述反應在體積不變的密閉容器中發生，能說明反應已達到平衡狀態的是       __     （選填編號）。
A．3v_正(H₂)=v_逆(CO₂)        B．C(H₂) = C(CO₂)
C．容器內氣體的密度不變    D．容器內壓強不變
（4）若反應的容器容積為2.0L，反應時間4.0 min，容器內氣體的密度增大了2.0g/L，在這段時間內CO₂的平均反應速率為           。反應在t₁時達到平衡，過程中c(CO₂)隨時間t變化趨勢曲線右圖所示。保持其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，請畫出t₁后c(CO₂)隨時間t變化趨勢曲線(t₂達到新的平衡)。

Answer 1

（1）3H₂(g) + CO₂(g)= CH₃OH(l)+ H₂O(l)；ΔH=－50KJ/mol；<； 低溫；（2）A、D；
（3）CD；（4）0.01mol.L^-1.min^-1；畫圖

解析試題分析：（1）根據題意可得熱化學方程式：①CO(g)+H₂O(l)=CO₂(g)+H₂(g) ΔH=－41KJ/mol; ②CO(g) +H₂(g) =CH₃OH(l)ΔH=－91KJ/mol; ②－①，整理可得3H₂(g) + CO₂(g)= CH₃OH(l)+ H₂O(l)；ΔH=－50KJ/mol;由方程式可知，該反應是一個體系的混亂程度減小的反應。所以△S­­­­­­­­­­­­­­<0；由于該反應的正反應是放熱反應，所以反應在低溫情況下有利于該反應自發進行。（2）由于該反應的正反應是放熱反應，所以上述反應方程式的平衡常數K值變大，則平衡正向移動。由于K只與溫度有關，而與壓強、濃度等無關，所以只有溫度降低才可以滿足條件。當降溫時，V正、V逆都減小，V逆減小的多，V正>V逆，平衡正向移動，逆反應速率先減小后又略有增加。因此選項為A、D。（3）A．若反應達到平衡，則v_正(H₂)= 3v_逆(CO₂)。錯誤。B．由于二者消耗時是按照3:1的物質的量的關系消耗的，所以在開始加入的這兩種氣體只有按照某一確定的比例混合，達到平衡時才有關系：C(H₂) = C(CO₂)。因此不能作為判斷平衡的標志。錯誤。C．由于生成物有液態物質，若反應未達到平衡，則氣體的質量就會發生變化，氣體的密度也會發生改變。因此容器內氣體的密度不變，可以作為判斷平衡的標志。正確。D．該反應是反應前后氣體體積不等的反應，如果未達到平衡，則氣體的物質的量就會發生變化，則容器內氣體的壓強就會改變。因此容器內壓強不變可以作為判斷平衡的標志。正確。（4）反應的容器容積為2.0L，容器內氣體的密度增大了2.0g/L，則氣體的質量增加了2.0g/L×2.0L=4.0g.其中增加的CO₂的質量為；所以Δn(CO₂)=" Δm÷M="  =0.08mol,因此V(CO₂)= Δc(CO₂)÷Δt="(0.08mol" ÷2L)÷4min = 0.01mol/(L·min)。
由圖像可知：反應CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(l)+H₂O(l)中起始時c(CO₂)=0.10mol/L，平衡時c(CO₂)=0.025mol/L，則Δc(CO₂)=0.075mol/L，所以平衡時各物質的濃度為：c(H₂)=0.075mol/L，該反應的平衡常數；當保持其他條件不變，t₁時將容器體積壓縮到1L，c(CO₂)=0.05mol/L，c(H₂)=0.15mol/L，平衡向右移動，設消耗c(CO₂)=xmol/L,則消耗c(H₂)=3xmol/L，平衡時各物質的濃度分別為c(CO₂)="(0.05-x)mol/L" ，c(H₂)="(0.15-3x)mol/L" ，平衡常數不變。即，解得x= 0.025mol/L，則t₂達到新的平衡時c(CO₂)=0.025mol/L.故t₁后c(CO₂)隨時間t變化趨勢曲線為如圖所示。

考點：考查熱化學方程式的書寫、化學平衡狀態的判斷、反應的方向性、化學反應速率的計算、CO₂濃度與時間圖像的表示。