Question

1．工业上研究利用CO₂来生产甲醇燃料的方法，该方法的热化学方程式是：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1
某科学实验小组将6mol CO₂和8mol H₂充入一容积为2L的恒温密闭容器中，测得H₂的物质的量随时间变化如图中实线所示（图中字母后的数字表示对应的坐标）．
回答下列问题：
（1）已知：2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
则反应2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1352.8kJ•mol^-1．
（2）反应（实线中）在0～3min和3～8min内CH₃OH的平均反应速率大小关系为v（0～3）
＞v（3～8）（填“＞”、“﹦”或“＜”）；其原因为当温度不变时，随着反应进行，反应物浓度减小，反应速率降低．
（3）此温度下（实线中）该反应的平衡常数K的数值为0.5．
（4）仅改变某一条件再进行实验，测得H₂的物质的量随时间变化如图中虚线所示．与实线相比，曲线Ⅰ改变的条件可能是升高温度，曲线Ⅱ改变的条件可能是增大压强．若实线对应条件下平衡常数为K，曲线Ⅰ对应条件下平衡常数为K₁，曲线Ⅱ对应条件下平衡常数为K₂，则K、K₁和K₂的大小关系是K₁＜K=K₂．
（5）下列选项中不能确定上述反应已达到化学平衡状态的是BC．
A．容器中混合气体的平均相对分子质量不变
B．容器中混合气体的密度不变
C.3v（H₂）_正=v（H₂O）_逆
D．混合气体的总压强不变．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律及已知热化学方程式消掉氢气和液态水得到目标热化学方程式，然后计算出目标反应的焓变；
（2）该反应过程中温度不变，根据浓度对反应速率的影响判断两个时间段的平均反应速率大小；
（3）由图可知8min时反应到达平衡，平衡时氢气的物质的量为2mol，根据c=$\frac{n}{V}$计算出平衡时氢气的浓度变化，然后利用三段式列式计算，最后根据平衡常数表达式计算出该反应的平衡常数；
（4）曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，改变条件平衡向逆反应方向移动，可能是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动；曲线Ⅱ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，平衡正向移动，可能是增大压强；平衡常数只受温度的影响，该反应放热，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
（5）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分的浓度不再变化，据此对各选项进行判断．

解答 解（1）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ•mol^-1，
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1，
根据盖斯定律②×3-③×6-①×2可得：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=（-571.6kJ•mol^-1）×3-（-44.0kJ•mol^-1）×6-（-49.0kJ•mol^-1）×2=-1352.8kJ•mol^-1，
故答案为：-1352.8 kJ•mol^-1 ；
（2）反应在恒温密闭容器中进行，由于温度不变时，随着反应进行，反应物浓度减小，反应速率降低，则平均反应速率v（0～3）＞v（3～8），
故答案为：＞；当温度不变时，随着反应进行，反应物浓度减小，反应速率降低；
（3）由图可知，8min时，反应到达平衡，平衡时氢气的物质的量为2mol，参加反应的氢气为：8mol-2mol=6mol，氢气的浓度变化量为$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，则：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：3        4         0         0
变化（mol/L）：1        3         1         1     
平衡（mol/L）：2        1         1         1
故该温度下平衡常数为：k=$\frac{1×1}{2×1}$=0.5，
故答案为：0.5；
（4）曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，不利于氢气的转化，故曲线I是升高温度；
曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，因增大压强平衡正向移动，故应是增大压强；
平衡常数只受温度的影响，该反应放热，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，故温度越高平衡常数越小，曲线Ⅰ温度最高，实线和曲线Ⅱ、Ⅲ温度相同，故平衡常数大小为：K₁＜K=K₂，
故答案为：升高温度； 增大压强；K₁＜K=K₂；
（5）A．由于该反应是气体的物质的量减小的反应，反应过程中气体的总质量不变，则在达到平衡状态前平均分子质量始终减小，当容器中混合气体的密度不变，容器中混合气体的平均相对分子质量不变时，说明各组分的浓度不再变化，达到了平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体的总质量不变，容器的容积不变，则混合气体的密度始终不变，所以密度不能作为判断平衡状态的标志，故B正确；
C.3v（H₂）_正=v（H₂O）_逆，说明逆反应速率大于正反应速率，平衡向着逆向移动，该反应没有达到平衡状态，故C错误；
D．该反应是气体体积缩小的反应，若混合气体的总压强不变，说明正逆反应速率相等，各组分的浓度不再变化，可以证明该反应已经达到平衡状态，故D错误；
故答案为：BC．

点评 本题考查了化学平衡常数的计算、化学平衡的影响及平衡状态的判断、盖斯定律在热化学方程式中的应用等知识，题目难度中等，试题涉及的知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析能力及灵活应用基础知识的能力，注意掌握影响化学平衡的因素及化学平衡常数的计算方法，明确盖斯定律的概念及应用．