Question

Ⅰ．甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料。工业上可利用CO或CO₂来生产燃料甲醇。已知甲醇制备的有关化学反应以及在不同温度下的化学反应平衡常数如下表所示：

化学反应	平衡 常数	温度/℃
500	800
①2H2（g）＋CO（g）CH3OH（g）	K1	2.5	0.15
②H2（g）＋CO2（g）H2O（g）＋CO（g）	K2	1.0	2.50
③3H2（g）＋CO2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）	K3

（1） 据反应①与②可推导出K₁、K₂与K₃之间的关系，则K₃＝________（用K₁、K₂表示）。500 ℃时测得反应③在某时刻，H₂（g）、CO₂（g）、CH₃OH（g）、H₂O（g）的浓度（mol·L^－1）分别为0.8、0.1、0.3、0.15，则此时v_正__________v_逆（填“>”、“＝”或“<”）。

（2） 对于反应③，在相同温度和容积不变时，能说明该反应已达平衡状态的是

A．n（CO₂）∶n（H₂）∶n（CH₃OH）∶n（H₂O）＝1∶3∶1∶1

B．容器内压强保持不变

C．H₂的消耗速率与CH₃OH的消耗速率之比为3∶1

D．容器内的密度保持不变

Ⅱ．超音速飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。科学家正在研究利用催化技术将尾气中的NO和CO转变成CO₂和N₂,化学方程式如下：2NO（g）+2CO（g）2CO₂（g）+N₂（g）ΔH<0

为了测定在某种催化剂作用下的反应速率，在某温度下用气体传感器测得不同时间的NO和CO浓度如表：

时间（s）	0	1	2	3	4	5
c（NO）（mol/L）	1.00×10^－3	4.50×10^－^4	2.50×10^－^4	1.50×10^－^4	1.00×10^－^4	1.00×10^－^4
c（CO）（mol/L）	3.60×10^－^3	3.05×10^－^3	2.85×10^－^3	2.75×10^－^3	2.70×10^－^3	2.70×10^－^3

请回答下列问题（均不考虑温度变化对催化剂催化效率的影响）：

（1）前2s内的平均反应速率υ（N₂）＝              ，CO的平衡转化率为____________。（结果均保留两位有效数字）

（2）写出该反应的平衡常数K的表达式________________。

（3）假设在密闭容器中发生上述反应，达到平衡时下列措施能提高NO转化率的是           。

A．选用更有效的催化剂     B．升高反应体系的温度

C．降低反应体系的温度     D．缩小容器的体积

（4）研究表明：在使用等质量催化剂时，增大催化剂比表面积可提高化学反应速率。某同学设计了三组实验，实验条件已经填在下面实验设计表中。

实验 编号	T（℃）	NO初始浓度 （mol/L）	CO初始浓度 （mol/L）	催化剂的比表面积（m^2/g）
Ⅰ	280	1.20×10^－3	5.80×10^－3	82
Ⅱ	280	1.20×10^－3	5.80×10^－3	124
Ⅲ	350	1.20×10^－3	5.80×10^－3	124

①以上三组实验的实验目的是_______________________。

②请在给出的坐标图中，画出上表中的第三个实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图。

Answer

Ⅰ.（1）K1·K2（2分）>（2分）（2）BC

Ⅱ（1）1.9×10_4mol·L_1·s_1；25%（2分）

（2）K＝（2分）（3）CD

（4）①分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律（2分）

②如下图：（3分）

【解析】

试题分析：Ⅰ．（1）根据化学平衡常数的表达式，K1=c（CH3OH）/[c（CO）×c2（H2）]，K2 = c（CO） × c（H2O） /[c（H2） × c（CO2）] ，K3=c（H2O） × c（CH3OH） /[c3（H2） × c（CO2）]，因此K3=K1×K2，代入数值，500℃K3=2.5×1.0=2.5，此时的浓度商，Qc=0.3×0.15/（0.83×0.1）≈0.88＜2.5，说明反应向正反应方向进行，即v正＞v逆；（2）I变成II，反应速率加快，但是达到平衡时CO的浓度相等，说明改变的条件只能加快反应速率，但对平衡无影响，因此改变的是催化剂；I变为III，反应速率加快，CO浓度增大，改变的条件：将容器的体积（快速）压缩至2 L；II.

（2）A．n（CO2）∶n（H2）∶n（CH3OH）∶n（H2O）＝1∶3∶1∶1时，反应可能处于平衡状态，也可能未处于平衡状态，这与反应条件及加入的物质的多少有关，A错误；B．正反应是体积减小的可逆反应，则容器内压强保持不变可以说明反应达到平衡状态，B正确；C．H2的消耗速率与CH3OH的消耗速率之比为3∶1，说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，C正确；D．由于温度和体积保持不变，反应前后气体的质量不变，所以在任何时刻都存在混合气体的密度保持不变，故不能据此判断反应处于平衡状态，D错误；答案选BC；

Ⅱ.（1）前2s内的平均反应速率υ（NO）＝＝3.75×10-4mol/（L•s），则υ（N2）＝1.9×10-4mol/（L•s）；CO的平衡转化率为×100%＝25%；

（2）根据2NO（g）+2CO （g）2CO2（g）+N2（g）可知该反应的平衡常数的表达式K＝；

（3）A．由于催化剂不能使化学平衡发生移动，所以无论选用何种催化剂，平衡不发生移动，NO转化率不变，A错误；B．由于该反应的正反应是放热反应，根据平衡移动原理：升高反应体系的温度，化学平衡向吸热是逆反应方向移动，所以NO转化率降低，B错误；C． 由于该反应的正反应是放热反应，根据平衡移动原理：降低反应体系的温度，化学平衡向放热的正反应方向移动， NO转化率提高，C正确；D．该反应的正反应是气体体积减小的反应，当反应达到平衡后，缩小容器的体积，使体系的压强增大，化学平衡向气体体积减小的正反应方向移动，所以NO转化率提高，D正确。故可以通过NO转化率的是C、D；

（4）①因Ⅰ、Ⅱ比表面积不同，则应控制温度相同，所有浓度应控制相同来验证催化剂比表面积对速率的影响；因此实验目的为分别验证温度、催化剂比表面积对化学反应速率的影响规律；

②因Ⅰ、Ⅱ温度相同，催化剂对平衡移动无影响，则平衡不移动，但Ⅱ的速率大，则Ⅱ先达到化学平衡，Ⅱ、Ⅲ的比表面积相同，温度不同，Ⅲ的温度高反应速率快，则Ⅲ先达到化学平衡，升高温度，平衡逆向移动，NO的平衡浓度大于Ⅱ，因此Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ实验条件下混合气体中NO浓度随时间变化的趋势曲线图为。

考点：考查了反应热、化学平衡的计算；化学反应速率的影响因素；探究温度、压强对化学反应速率的影响的相关知识。