Question

（共16分）近年来对CO₂的有效控制及其高效利用的研究正引起全球广泛关注。据中国化工报报道，美国科学家发现了一种新的可将CO₂转化为甲醇的高活性催化体系，比目前工业使用的常见催化剂快近90倍。由CO₂制备甲醇过程可能涉及反应如下：

反应Ⅰ： CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g) +H₂O(g)    △H ₁=－49.58 kJ•mol^-1

反应Ⅱ：CO₂(g)+ H₂(g)CO (g)+H₂O(g)       △H ₂

反应Ⅲ： CO(g)+2 H₂(g)CH₃OH(g)          △H ₃=－90.77 kJ•mol^-1

回答下列问题：

（1）反应Ⅱ的△H ₂=      ，反应Ⅲ自发进行条件是      （填“较低温”、“较高温”或“任何温度”）。

（2）在一定条件下2L恒容密闭容器中充入一定量的H₂和CO₂仅发生反应Ⅰ，实验测得在不同反应物起始投入量下，反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线，如下图所示。

①据图可知，若要使CO₂的平衡转化率大于40%，以下条件中最合适的是    ；

A．n(H₂)=3mol，n(CO₂)=1.5mol； 650K   

B．n(H₂)=3mol，n(CO₂)=1.7mol；550K

C．n(H₂)=3mol，n(CO₂)=1.9mol； 650K   

D．n(H₂)=3mol，n(CO₂)=2.5mol；550K

②在温度为500K的条件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡：

a．用H₂表示该反应的速率为        ；

b．该温度下，反应I的平衡常数K=        ；

c．在此条件下，系统中CH₃OH的浓度随反应时间的变化趋势如图所示，当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，请在图中画出3～10min内容器中CH₃OH浓度的变化趋势曲线：

（3）某研究小组将一定量的H₂和CO₂充入恒容密闭容器中并加入合适的催化剂（发生反应I、Ⅱ、

Ⅲ），测得了不同温度下体系达到平衡时CO₂的转化率（a）及CH₃OH的产率（b），如图所示，请回答问题：

①该反应达到平衡后，为同时提高反应速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是       （选填编号）。

A．改用高效催化剂

B．升高温度

C．缩小容器体积

D．分离出甲醇

E．增加CO₂的浓度

②据图可知当温度高于260℃后，CO的浓度随着温度的升高而      （填“增大”、“减小”、“不变”或“无法判断”），其原因是          。

Answer

（共16分）

（1）△H2=+41.19kJ•mol-1（2分）较低温（1分）

（2）①B（2分）

②a．0.135mol•L-1•min-1（2分）

b．200（2分）

c．

（2分，评分要点：起点不变，终点在0.315左右，10min之前达到平衡）

（3）①CE（2分）②增大（1分），反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇；反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO。综上所述，CO的浓度一定增大。（或其他合理答案）（2分）

【解析】

试题分析：（1）根据盖斯定律，反应Ⅱ=反应Ⅰ-反应Ⅲ，计算反应的△H2=-49.58+90.77=+41.19kJ•mol-1；反应Ⅲ是放热的，熵减的反应，自发进行条件较低温。（2）①因为反应是放热反应，所以选择较低温度，增加氢气的量，可以提高二氧化碳的平衡转化率，所以选B。②a．氢气的平均速率为1.5×60%×3/2/10=0.135mol•L-1•min-1。

b． CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g) +H2O(g)

起始的物质的量浓度1.5 0.75 0 0

改变的物质的量浓度1.35 0.45 0.45 0.45

平衡的物质的量浓度0.15 0.3 0.45 0.45

c．温度升高，反应速率加快，达到平衡的时间缩短，但温度升高平衡逆向移动，所以平衡时甲醇的浓度在0.315mol/L左右，所以变化如图：

（3）①A．改用高效催化剂，能提高反应速率，但不能提高甲醇的生成量，不选；B．升高温度，反应速率加快，平衡逆向移动，不选；C．缩小容器体积，压强增大，反应速率加快，平衡正向移动，选；D．分离出甲醇，甲醇浓度减小，反应速率减慢，平衡正向移动，不选；E．增加CO2的浓度，反应速率加快，平衡正向移动，提高甲醇的生成量，选；所以选CE。②反应I、反应III均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇；反应II为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO。综上所述，CO的浓度一定增大。

考点：盖斯定律，化学平衡移动原理，化学平衡计算