Question

5．中科院大連化學(xué)物理研究所的“煤基甲醇制取低碳烯烴技術(shù)（簡(jiǎn)稱DMTO）”榮獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)．DMTO技術(shù)主要包括煤的氣化．液化．烯烴化三個(gè)階段，相關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：
（i） 煤氣化制合成氣：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）
（ii） 煤液化制甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
回答下列問題：
（1）已知：C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1，
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1
①反應(yīng)（ i）能自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫（填“高溫”．“低溫”或“任何溫度”）．
 ②等溫等容時(shí)，密閉容器中進(jìn)行的該反應(yīng)，下列各項(xiàng)能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是：ABD
A．混合氣體的密度不變                            B．該容器內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)不變
C．相同時(shí)間內(nèi)生成H₂的量與消耗了的 H₂O 的量相等  D．CO的體積分?jǐn)?shù)不變
（2）反應(yīng)（ii）中以氫碳[n（H₂）：n（CO）]投料比為2制取甲醇，溫度、壓強(qiáng)與CO的平衡轉(zhuǎn)化率關(guān)系如圖1．

①反應(yīng)（ii）平衡常數(shù)表達(dá)式：K_c=$\frac{[C{H}_{3}OH]}{[CO]•[{H}_{2}]^{2}}$，
 ②對(duì)于反應(yīng)（ii）比較P₁小于P₂，K_c（Q）等于K_c（R）（填“大于”．“小于”或“等于”）．
 ③若反應(yīng)（ii）在恒容密閉容器內(nèi)進(jìn)行，T₁溫度下甲醇濃度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示；不改變其他條件，假定t₂時(shí)刻迅速降溫到T₂，t₃時(shí)刻體系重新達(dá)到平衡．試在圖中畫出t₂時(shí)刻后甲醇濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖（在圖中標(biāo)出t₃）．

Answer 1

分析 （1）①通過已知：（i）C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1，
（ii）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1，
計(jì)算反應(yīng)C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）的△H，反應(yīng)△S＞0，根據(jù)△G=△H-T•△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行分析；
②根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（2）①平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度系數(shù)次冪之積和反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次冪之積的比值；
②150℃時(shí)，比較Q和R兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率的大小，得出平衡移動(dòng)的方向，從而判斷壓強(qiáng)的改變；K_p只受溫度的影響；
③反應(yīng)（ii）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0，t₂時(shí)降低溫度，平衡正向移動(dòng)，甲醇的濃度增大，直至t₃時(shí)達(dá)到新的平衡時(shí)保持不變．

解答 解：（1）①已知：（i）C（s）+CO₂（g）═2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1，
（ii）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律可知i+ii得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+172.5kJ•mol^-1-41.0kJ•mol^-1=+131.5kJ•mol^-1＞0，反應(yīng)S＞0，高溫時(shí)G=△H-T•△S＜0反應(yīng)自發(fā)，故答案為：高溫；
②A．混合氣體的密度不變等于質(zhì)量和體系體積的比值，反應(yīng)前后氣體的質(zhì)量變化，體積不變，所以密度變化，密度不變的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，故正確；
B．反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量變化，當(dāng)該容器內(nèi)氣體的總壓強(qiáng)不變的狀態(tài)是平衡狀態(tài)，故正確；
C．相同時(shí)間內(nèi)生成H₂的量與消耗了的 H₂O 的量相等，不能說明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故錯(cuò)誤；
D．CO的體積分?jǐn)?shù)不變的狀態(tài)是平衡狀態(tài)的特征之一，故正確．
故選ABD；
（2）①反應(yīng)（ii）平衡常數(shù)表達(dá)式：K_c=$\frac{[C{H}_{3}OH]}{[CO]•[{H}_{2}]^{2}}$，故答案為：$\frac{[C{H}_{3}OH]}{[CO]•[{H}_{2}]^{2}}$；
②150℃時(shí)，Q點(diǎn)比R點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率大，平衡正向移動(dòng)CO的轉(zhuǎn)化率增大，而壓強(qiáng)增大，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡正向移動(dòng)，說明P₁＞P₂；K_p只受溫度的影響，Q點(diǎn)和R點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度都是150℃，因此K_c（Q）=K_c（R），
故答案為：小于；等于；
③反應(yīng)（ii）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0，t₂時(shí)降低溫度，平衡正向移動(dòng)，甲醇的濃度增大，直至t₃時(shí)達(dá)到新的平衡時(shí)保持不變，對(duì)應(yīng)的圖象為，故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和化學(xué)平衡，綜合性較強(qiáng)，難度較大，題材背景新，側(cè)重于學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理、變通能力的考查．