Question

【題目】近日IPCC發布了由來自40個國家的91位科學家編寫的《全球升溫1.5℃特別報告》，溫室效應引發的環境問題日益嚴重，物種滅絕，洪災、旱災、糧食欠收等自然災害發生頻率不斷增加，CO2的減排和綜合利用是解決溫室及能源問題的有效途徑。

(1)CO2可轉化成有機物實現碳循環。在體積為1 L的密閉容器中，充入1 mol CO2和3 mol H2，一定條件下反應：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，測得CO2和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如圖所示。

① 從3 min到9 min，v(H2)＝_____mol·L－1·min－1。

② 該反應的平衡常數為_______。

③ 下列說法正確的的是____(填字母)。

A．混合氣體的密度不隨時間的變化而變化，則說明上述反應達到平衡狀態

B．平衡時CO2的轉化率為75%

C．平衡時混合氣體中CH3OH(g)的體積分數是30%

D．該條件下，第9 min時v逆(CH3OH)大于第3 min時v正(CH3OH)。

(2)工業中，CO2和H2在催化劑Cu/ZnO作用下可發生兩個平行反應，分別生成CH3OH和CO。

反應A：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)

反應B：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)

控制CO2和H2初始投料比為1∶3時，溫度對CO2平衡轉化率及甲醇和CO產率的影響如圖所示。

① 由圖可知溫度升高CO的產率上升，其主要原因可能是________。

② 由圖可知獲取CH3OH最適宜的溫度是________。下列措施有利于提高CO2轉化為CH3OH的平衡轉化率的有___________(填字母)。

A．使用催化劑 B．增大體系壓強

C．增大CO2和H2的初始投料比 D．投料比不變和容器體積不變，增加反應物的濃度

(3)250 ℃下CH3OH物質的量隨時間的變化曲線如圖所示。畫出280 ℃下0～t2時刻CH3OH物質的量隨時間的變化曲線示意圖__________。

Answer 1

【答案】0.125 5.3 B C 反應B是吸熱反應 250℃ B D

【解析】

(1)①3min到9min，根據CO2濃度變化計算CO2化學反應速率，利用計量數之比得到υ(H2)；②結合各物質的平衡濃度，利用三段式法計算該反應的平衡常數；③A．該反應過程中密度為定值；B．根據二氧化碳的轉化率=×100%計算平衡時CO2的轉化率；C．平衡時混合氣體中CH3OH(g)的體積分數等于平衡時甲醇的物質的量濃度與其它物質總物質的量濃度的百分比；D．該反應從開始至達到平衡狀態，正反應速率逐漸減小，逆反應速率逐漸增大；

(2)①反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產率升高；②據圖示進行分析溫度與甲醇轉化率的關系；由CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) 可知提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，應使平衡向正向移動，可增大壓強，增大濃度；

(3)根據溫度對反應速率及化學平衡的影響分析。

(1)①3min到9min，CO2濃度變化為0.5mol/L-0.25mol/L=0.25mol/L，CO2反應速率==mol/(Lmin)，υ(H2)=3×υ(CO2)=0.125mol/(Lmin)，故答案為：0.125；

② CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始(mol/L) 1 3 0 0

轉化(mol/L) 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡(mol/L) 0.25 0.75 0.75 0.75

該反應的平衡常數K=≈5.3，故答案為：5.3；

③A．該反應前后都是氣體，氣體總質量始終不變，容器容積不變，則密度為定值，不能根據密度判斷平衡狀態，故A錯誤；B．平衡時CO2的轉化率=×100%=75%，故B正確；C．平衡時混合氣體中CH3OH(g)的體積分數=×100%=30%，故C正確；D．從反應開始到平衡過程中正反應速率逐漸減小，直至達到平衡狀態，則第9min時達到平衡狀態υ逆(CH3OH)=υ正（CH3OH），則9min時υ逆（CH3OH）一定小于第3min時υ正(CH3OH)，故D錯誤；故答案為：BC；

(2)①由圖示可知，溫度升高CO的產率上升，其主要原因可能是反應B正反應是吸熱反應，溫度升高平衡正向移動，CO產率升高，故答案為：反應B正反應是吸熱反應；

②據圖示可知，250℃甲醇產率最高，故獲取CH3OH最適宜的溫度是250℃；A．使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉化率，故A錯誤；B．增大體系壓強，平衡向正方向移動，提高CO2轉化率，故B正確；C．增大CO2和H2的初始投料比，可增大氫氣的轉化率，二氧化碳的轉化率減小，故C錯誤；D．投料比不變，增加反應物的濃度，相當于增大壓強，平衡正向移動，可增大轉化率，故D正確；故答案為：250℃；BD；

(3)溫度升高，反應速率加快，則反應達到平衡的時間小于t1；280℃時甲醇的產率小于250℃時，所以達到平衡后，體系中甲醇的量變小，據此畫出280℃下0～t2時刻CH3OH物質的量隨時間的變化曲線：，故答案為：。