Question

目前工业上有一种方法是用CO₂生产燃料甲醇。一定条件下发生反应CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)，图甲表示该反应过程中能量的变化。

     

(1)在固定容积的密闭容器内，下列能说明该反应已经达到平衡状态的是______。

A．单位时间内生成n mol CO₂的同时生成 3n molH₂

B．容器内气体压强保持不变

C．v_逆(CO₂)＝v_正(CH₃OH)

D．1mol CH₃OH中H—O键断裂的同时2mol C=O键断裂

E．混合气体的密度不再改变的状态

F．混合气体的平均相对分子质量不变

(2)在体积为1 L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，测得CO₂和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如图乙所示。从反应开始到平衡，用氢气浓度变化表示的平均反应速率v(H₂)＝_______。容器内平衡时与起始时的压强之比为________。平衡时 CO₂的转化率为________，平衡时CH₃OH的体积分数为__________。

(3)下图是科学家正在研发的，以实现上述反应[CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)]在常温常压下进行的装置。写出甲槽的电极反应式：_____________________。

Answer

BCDF 0.225 mol/(L·min) 0.625(5:8) 75％ 30％(3/10) CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O

【解析】

(1)A．只要反应进行单位时间内生成n mol CO2的同时就会生成 3n molH2，故A不选；

B．该反应前后气体系数之和不相等，容器容积恒定，所以未平衡时容器内气体的物质的量会变，即压强会变，所以压强不变时说明反应平衡，故B选；

C．平衡时v逆(CO2)＝v正(CO2) ，而v正(CO2)=v正(CH3OH)，所以v逆(CO2)＝v正(CH3OH)说明正逆反应速率相等，反应达到平衡，故C选；

D．1mol CH3OH中H—O键断裂的同时2mol C=O键断裂，即正逆反应速率相等，反应达到平衡，故D选；

E．反应物和生成物均为气体，所以气体总质量不变，容器容积恒定，即气体总体积不变，所以混合气体的密度一直不变，故E不选；

F．该反应前后气体系数之和不相等，所以未平衡时容器内气体的物质的量会变，而气体总质量不变，所以平均相对分子质量会变，故F选；综上所述选BCDF。

(2)据图可知10min后二氧化碳和甲醇的浓度不再改变，说明反应达到平衡，此时△c(CH3OH)=0.75mol/L，根据反应方程式可知该时段内△c(H2)=2.25mol/L，所以v(H2)＝=0.225 mol/(L·min)；平衡时△c(H2)=2.25mol/L，容器体积为1L，则平衡时容器内n(H2)＝3mol-2.25mol=0.75mol，据图可知n(CO2)＝0.25mol，n(CH3OH)=0.75mol，根据方程式可知n(H2O)＝0.75mol，容器体积恒定，所以压强之比等于气体物质的量之比，所以平衡时与起始时压强之比为=0.625(5:8)；二氧化碳的转化率为=75%；气体的体积分数即物质的量分数，所以甲醇的体积分数为=30%；

(3)甲槽通入二氧化碳，根据该装置的目的可知得到的产物应为甲醇，二氧化碳得电子发生还原反应，电极方程式为CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。