Question

二氧化碳的捕集、利用与封存(CCUS)是我国能源领域的一个重要战略方向。CO₂可转化成有机物实现碳循环。在 2 L 的恒温恒容密闭容器中，充入 2molCO₂ 和 6molH₂，一定条件下发生反应：CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)，测得 CO₂ 和 CH₃OH(g)的浓度随时间变化如图：

(1)从 3 min 到 15min，υ(H₂)=____mol•L^－1•min^－1；

(2)能说明上述反应达到平衡状态的是_____填编号)。

A. 反应中 CO₂ 与 CH₃OH 的物质的量浓度之比为 1∶1(即图中交叉点)

B. 混合气体的压强不随时间的变化而变化

C. 单位时间内生成 1mol H₂，同时生成 1mol CH₃OH

D. 混合气体的平均密度不随时间的变化而变化

(3)平衡时 CO₂ 的转化率为 _____。

(4)平衡混合气体中 CO₂(g)和 H₂(g)的物质的量之比是 ______。

(5)第 3 分钟时υ_正(CH₃OH)______第 15 分钟时υ_逆(CH₃OH)(填“＞”、“＜” “=”)。

Answer

0.0625 B 75% 1:3 ＞

【解析】

(1)根据计算；

(2)反应达到平衡时任何物质的物质的量、浓度、含量等保持不变，据此判断；

(3)根据计算；

(4)根据加入的反应物的物质的量及物质反应转化关系判断平衡时两种气体的物质的量关系；

(5)根据平衡建立过程中正逆反应速率的变化判断。

(1)根据图示可知：从3 min到15 min，CO2的浓度从0.5 mol/L变为0.25 mol/L，∆c(CO2)=(0.5−0.25)mol/L=0.25mol/L，则∆c(H2)= 0.25mol/L×3=0.75 mol/L，故用H2浓度变化表示的反应速率；

(2)反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)在2 L的恒容密闭容器中进行，正反应是气体体积减小的反应，

A. 反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1(即图中交叉点)，由于CO2与CH3OH的浓度还在发生变化，说明反应未达到平衡，故A不符合题意；

B. 该反应在恒容密闭容器中进行，且该反应正反应是气体体积减小的反应，若混合气体的压强不随时间的变化而变化，说明气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，故B符合题意；

C. 单位时间内生成1 mol H2，就会消耗mol CH3OH，同时生成1 mol CH3OH，说明反应正向进行，未达到平衡状态，故C不符合题意；

D. 该反应在恒容密闭容器中进行，且气体的总质量不变，则混合气体的平均密度始终不变，故混合气体的平均密度不随时间的变化而变化不能说明反应达到平衡状态，故D不符合题意；故答案为：B；

(3)根据图象可知：在反应开始时CO2浓度是1.00 mol/L，平衡时浓度为0.25 mol/L，所以CO2的平衡转化率=；

(4)反应开始时加入2 mol CO2和6 mol H2，根据方程式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)可知：CO2和H2反应消耗的物质的量之比是1：3，因此平衡时CO2(g)和H2(g)的物质的量之比也是1：3；

(5)该反应从正反应方向开始，随着反应的进行，正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，当到第15 分钟时反应达到平衡，此时υ正(CH3OH)=υ逆(CH3OH)，因此第3 分钟时υ正(CH3OH)＞第15 分钟时υ逆(CH3OH)。