Question

工业上可以利用废气中的CO₂为原料制取甲醇，其反应方程式为：CO₂+3H₂CH₃OH+H₂O。请回答下列问题：

（1）已知常温常压下下列反应的能量变化如下图所示：

 

写出由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式__                _。

该反应的△S­­­­­­­­­­­­­­____0(填“>”或“<”或“=”)，在 ______情况下有利于该反应自发进行。

（2）如果上述反应方程式的平衡常数K值变大，则该反应__      （选填编号）。

  A．一定向正反应方向移动    B．在平衡移动时正反应速率先增大后减小

  C．一定向逆反应方向移动    D．在平衡移动时逆反应速率先减小后增大

（3）如果上述反应在体积不变的密闭容器中发生，能说明反应已达到平衡状态的是        __      （选填编号）。

A．3v_正(H₂)=v_逆(CO₂)         B．C(H₂) = C(CO₂)

C．容器内气体的密度不变    D．容器内压强不变

（4）若反应的容器容积为2.0L，反应时间4.0 min，容器内气体的密度增大了2.0g/L，在这段时间内CO₂的平均反应速率为            。反应在t₁时达到平衡，过程中c(CO₂)随时间t变化趋势曲线右图所示。保持其他条件不变，t₁时将容器体积压缩到1L，请画出t₁后c(CO₂)随时间t变化趋势曲线(t₂达到新的平衡)。

Answer

（1）3H2(g) + CO2(g)= CH3OH(l)+ H2O(l)；ΔH=－50KJ/mol；<； 低温；（2）A、D；

（3）CD；（4）0.01mol.L-1.min-1；画图

【解析】

试题分析：（1）根据题意可得热化学方程式：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，该反应是一个体系的混乱程度减小的反应。所以△S­­­­­­­­­­­­­­<0；由于该反应的正反应是放热反应，所以反应在低温情况下有利于该反应自发进行。（2）由于该反应的正反应是放热反应，所以上述反应方程式的平衡常数K值变大，则平衡正向移动。由于K只与温度有关，而与压强、浓度等无关，所以只有温度降低才可以满足条件。当降温时，V正、V逆都减小，V逆减小的多，V正>V逆，平衡正向移动，逆反应速率先减小后又略有增加。因此选项为A、D。（3）A．若反应达到平衡，则v正(H2)= 3v逆(CO2)。错误。B．由于二者消耗时是按照3:1的物质的量的关系消耗的，所以在开始加入的这两种气体只有按照某一确定的比例混合，达到平衡时才有关系：C(H2) = C(CO2)。因此不能作为判断平衡的标志。错误。C．由于生成物有液态物质，若反应未达到平衡，则气体的质量就会发生变化，气体的密度也会发生改变。因此容器内气体的密度不变，可以作为判断平衡的标志。正确。D．该反应是反应前后气体体积不等的反应，如果未达到平衡，则气体的物质的量就会发生变化，则容器内气体的压强就会改变。因此容器内压强不变可以作为判断平衡的标志。正确。（4）反应的容器容积为2.0L，容器内气体的密度增大了2.0g/L，则气体的质量增加了2.0g/L×2.0L=4.0g.其中增加的CO2的质量为；所以Δn(CO2)= Δm÷M= =0.08mol,因此V(CO2)= Δc(CO2)÷Δt=(0.08mol ÷2L)÷4min = 0.01mol/(L·min)。

由图像可知：反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l)中起始时c(CO2)=0.10mol/L，平衡时c(CO2)=0.025mol/L，则Δc(CO2)=0.075mol/L，所以平衡时各物质的浓度为：c(H2)=0.075mol/L，该反应的平衡常数；当保持其他条件不变，t1时将容器体积压缩到1L，c(CO2)=0.05mol/L，c(H2)=0.15mol/L，平衡向右移动，设消耗c(CO2)=xmol/L,则消耗c(H2)=3xmol/L，平衡时各物质的浓度分别为c(CO2)=(0.05-x)mol/L ，c(H2)=(0.15-3x)mol/L ，平衡常数不变。即，解得x= 0.025mol/L，则t2达到新的平衡时c(CO2)=0.025mol/L.故t1后c(CO2)随时间t变化趋势曲线为如图所示。

考点：考查热化学方程式的书写、化学平衡状态的判断、反应的方向性、化学反应速率的计算、CO2浓度与时间图像的表示。