Question

降低大氣中CO₂的含量及有效利用CO₂，目前已引起各國(guó)普遍重視．
（1）工業(yè)上有一種方法是用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇．為探究反應(yīng)原理，現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，在500℃下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g） 

催化劑

加熱、加壓

 CH₃OH（g）+H₂O（g）．實(shí)驗(yàn)測(cè)得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如下圖1所示．
①圖2是改變溫度時(shí)H₂的化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間變化的示意圖，則該反應(yīng)的正反應(yīng)是

 

（填“吸熱”或“放熱”）反應(yīng)．

②500℃達(dá)平衡時(shí)，CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)為

 

．CO₂的轉(zhuǎn)化率為

 

前3分鐘用H₂表示的反應(yīng)速率

 

（2）圖3中P是可自由平行滑動(dòng)的活塞，關(guān)閉K，在相同溫度時(shí)，向A容器中充入1molCH₃OH（g）和2molH₂O（g），向B容器中充入1.2molCH₃OH（g） 和2.4molH₂O（g），兩容器分別發(fā)生上述（1）中反應(yīng)的逆反應(yīng)．
已知：起始時(shí)容器A和B的體積均為aL，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)容器B的體積為1.5aL，容器B中CH₃OH轉(zhuǎn)化率為

 

；維持其他條件不變，若打開K一段時(shí)間后重新達(dá)到平衡，容器B的體積為

 

L（連通管中氣體體積忽略不計(jì)，且不考慮溫度的影響）．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算

專題：

分析：（1）①由圖2可知，正、逆反應(yīng)速率都增大，為升高溫度，且逆反應(yīng)速率增大更多，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，據(jù)此判斷；
②利用三段式計(jì)算出反應(yīng)混合物各組分的平衡時(shí)的濃度，計(jì)算的平衡濃度，轉(zhuǎn)化率，根據(jù)體積分?jǐn)?shù)的定義計(jì)算CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)，由圖可知，前3min時(shí)二氧化碳的濃度變化量為1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，根據(jù)v=

△c

△t

算v（CO₂），再利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；
（2）恒溫、恒壓條件下，氣體的體積之比等于其物質(zhì)的量之比，根據(jù)氣體的體積計(jì)算參加反應(yīng)的甲醇的物質(zhì)的量，再根據(jù)轉(zhuǎn)化率公式計(jì)算轉(zhuǎn)化率；
打開K，AB組成的是恒溫恒壓容器，依據(jù)壓強(qiáng)變化和物質(zhì)的量變化成正比計(jì)算得到．

解答： 解：（1）①由圖2可知，正、逆反應(yīng)速率都增大，為升高溫度，且逆反應(yīng)速率增大更多，反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故答案為：放熱；
②平衡時(shí)二氧化碳的濃度為0.25mol/L，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：1       3              0          0
變化（mol/L）：0.75    2.25           0.75       0.75
平衡（mol/L）：0.25    0.75           0.75       0.75
由計(jì)算可知，平衡時(shí)CH₃OH的體積分?jǐn)?shù)ω=

0.75

0.25+0.75+0.75+0.75

×100%=30%，
CO₂的轉(zhuǎn)化率為=

0.75mol/L

1mol/L

×100%=75%
由圖可知，10min到達(dá)平衡時(shí)二氧化碳的濃度變化量為1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，所以v（CO₂）=

0.5mol/L

3min

=

0.5

3

mol/（L?min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v（H₂）=3v（CO₂）=3×

0.5

3

mol/（L?min）=0.5mol/（L?min），
故答案為：30%；75%；0.5mol/（L?min）；
（2）B中是等壓條件下的反應(yīng)，等壓條件下，氣體的物質(zhì)的量之比等于其體積之比，反應(yīng)前氣體的物質(zhì)的量是3.6mol，則反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量=

1.5aL

aL

×3.6mol=5.4mol，根據(jù)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）知，參加反應(yīng)的n（CH₃OH）=

5.4mol-3.6mol

2

=0.9mol，則甲醇的轉(zhuǎn)化率=

0.9mol

1.2mol

×100%=75%；
打開K時(shí)，AB組成一個(gè)等溫等壓容器，相應(yīng)的起始投入總物質(zhì)的量與平衡的總體積成正比，設(shè)打開K重新達(dá)到平衡后總的體積為x，則x：（3+3.6）=1.5a：3.6，
求得x=2.75a，所以B的體積為2.75a-a=1.75a，
故答案為：75%；1.75a．

點(diǎn)評(píng)：本題考查較為綜合，涉及反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、平衡移動(dòng)影響因素分析判斷，結(jié)合恒溫、恒壓條件下物質(zhì)的量與體積的關(guān)系來分析解答，題目難度中等．