Question

【題目】Ⅰ 當(dāng)溫度高于500 K時(shí)，科學(xué)家成功利用二氧化碳和氫氣合成了乙醇，這在節(jié)能減排、降低碳排放方面具有重大意義。回答下列問(wèn)題：

(1)該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________________；

(2)在恒容密閉容器中，判斷上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的依據(jù)是________。

a．CO2與乙醇的濃度之比不再改變

b．單位時(shí)間內(nèi)消耗H2和CO2的物質(zhì)的量之比為3∶1

c．H2的體積分?jǐn)?shù)保持不變

d．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變

(3)在一定壓強(qiáng)下，測(cè)得由CO2制取乙醇的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，起始投料比、溫度與CO2的轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)分析：

①升高溫度，平衡向________(正或逆)反應(yīng)方向移動(dòng)。

②在700 K、起始投料比＝1.5時(shí)，H2的體積分?jǐn)?shù)為________（保留小數(shù)點(diǎn)后一位）。

③在500 K、起始投料比＝2時(shí)，達(dá)到平衡后乙醇的濃度為a mol·L－1，則達(dá)到平衡時(shí)H2的濃度為________（保留小數(shù)點(diǎn)后兩位）。

Ⅱ 汽車尾氣中含有NO、CO和碳顆粒等有害物質(zhì)，已成為某些大城市空氣的主要污染源。

(1)汽車燃料中一般不含氮元素，汽缸中生成NO的原因?yàn)?/span>(可逆反應(yīng)，用化學(xué)方程式表示)________________________________，且汽缸內(nèi)溫度越高，單位時(shí)間內(nèi)NO排放量越大，試分析其原因____________________。

(2)治理汽車尾氣中NO和CO污染的一種方法是將其轉(zhuǎn)化為無(wú)害的CO2和N2，反應(yīng)原理：2NO(g)＋2CO(g) 2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＜0。某研究小組在三個(gè)容積均為5L的恒容密閉容器中，分別充入0.2molNO和0.2molCO，在三種不同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行上述反應(yīng)(體系各自保持溫度不變)，反應(yīng)體系總壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化如圖所示。

①計(jì)算實(shí)驗(yàn)Ⅱ從開(kāi)始至達(dá)到平衡時(shí)的反應(yīng)速率v(NO)＝________________。

②圖中三組實(shí)驗(yàn)從開(kāi)始至達(dá)到平衡時(shí)的反應(yīng)速率v(NO)由小到大的順序?yàn)?/span>________(填序號(hào))。

③與實(shí)驗(yàn)Ⅱ相比，實(shí)驗(yàn)Ⅰ和實(shí)驗(yàn)Ⅲ分別僅改變一種反應(yīng)條件，所改變的條件為：實(shí)驗(yàn)Ⅰ_______________________________；實(shí)驗(yàn)Ⅲ_______________________。

④三組實(shí)驗(yàn)中CO的平衡轉(zhuǎn)化率αⅠ(CO)、αⅡ(CO)、αⅢ(CO)的大小關(guān)系為______________。判斷依據(jù)為__________________________________________。

Answer 1

【答案】 2CO2+6H2CH3CH2OH+3H2O acd 逆 42.9% 0.67a mol·L－1 N2＋O22NO 溫度升高，反應(yīng)速率加快 8.75×10－4mol·L－1·min－1 Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ 升高溫度 加催化劑 αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)＞αⅠ(CO) II、III相比，平衡不移動(dòng)，αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)，I、II相比，I中溫度高，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)，則轉(zhuǎn)化率αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)

【解析】分析：I.(1).根據(jù)題目信息判斷反應(yīng)物為CO2和H2，產(chǎn)物為乙醇和水，據(jù)此寫(xiě)出化學(xué)方程式；(2).可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度、百分含量等不變；(3). ①.據(jù)圖可知，橫坐標(biāo)為投料比，縱坐標(biāo)為CO2的轉(zhuǎn)化率，曲線為等溫線，則相同投料比時(shí)，溫度越低，對(duì)應(yīng)CO2的轉(zhuǎn)化率越大；②.在700K，起始投料比為1.5時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為20%，求出氫氣的變化量，進(jìn)而計(jì)算氫氣的體積分?jǐn)?shù)；③.在500K，起始投料比為2時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為60%，根據(jù)三段式法計(jì)算氫氣的轉(zhuǎn)化率為90%，再根據(jù)達(dá)到平衡后乙醇的濃度為a mol·L－1，進(jìn)而求出平衡時(shí)H2的濃度。

II.(1). 氮?dú)馀c氧氣在高溫下反應(yīng)生成NO；溫度升高，反應(yīng)速率加快；(2). ①.結(jié)合圖象并利用三段式法計(jì)算出平衡時(shí)各組分物質(zhì)的量，恒溫恒容條件下，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，據(jù)此列方程計(jì)算；②.反應(yīng)速率越快，到達(dá)平衡所需的時(shí)間越短；③.對(duì)比II和I可知，I到達(dá)平衡時(shí)間縮短且起始?jí)簭?qiáng)增大，對(duì)比II和III可知，平衡時(shí)壓強(qiáng)不變，III到達(dá)平衡時(shí)間縮短，改變條件使反應(yīng)速率加快且平衡不發(fā)生移動(dòng)；④.根據(jù)③中分析的條件改變，判斷I、III相對(duì)II發(fā)生的平衡移動(dòng)，進(jìn)而判斷轉(zhuǎn)化率。

詳解：I.(1). 當(dāng)溫度高于500K時(shí)，科學(xué)家成功利用二氧化碳和氫氣合成了乙醇，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2CO2+6H2CH3CH2OH+3H2O，故答案為：2CO2+6H2CH3CH2OH+3H2O；

(2). a.CO2與乙醇的濃度之比不再改變，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a正確；b.根據(jù)反應(yīng)方程式可知，單位時(shí)間內(nèi)消耗H2和CO2的物質(zhì)的量之比始終為3∶1，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯(cuò)誤；c.H2的體積分?jǐn)?shù)保持不變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c正確；d.該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不等的可逆反應(yīng)，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；答案選：acd；

(3). ①.據(jù)圖可知，橫坐標(biāo)為投料比，縱坐標(biāo)為CO2的轉(zhuǎn)化率，曲線為等溫線，相同投料比時(shí)溫度越低，對(duì)應(yīng)CO2的轉(zhuǎn)化率越大，說(shuō)明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故答案為：逆；

②. 在700K，起始投料比＝1.5時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為20%，設(shè)起始時(shí)H2的物質(zhì)的量為4mol、CO2的物質(zhì)的量為6mol，則有：

2CO2+6H2CH3CH2OH+3H2O

起始量(mol) 4 6 0 0

轉(zhuǎn)化量(mol) 0.8 2.4 0.4 1.2

平衡量(mol) 3.2 3.6 0.4 1.2

則平衡時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)為：×100%=42.9%，故答案為：42.9%；

③. 在500 K、起始投料比＝2時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為60%，設(shè)起始時(shí)H2的物質(zhì)的量濃度為2xmol/L、CO2的物質(zhì)的量濃度為4xmol/L，則有：

2CO2+6H2CH3CH2OH+3H2O

<>起始量(mol/L) 2x 4x 0 0

轉(zhuǎn)化量(mol/L) 1.2x 3.6x 0.6x 1.8x

平衡量(mol/L) 0.8x 0.4x 0.6x 1.8x

所以氫氣的轉(zhuǎn)化率為×100%=90%，又因達(dá)到平衡時(shí)乙醇的濃度為a mol·L－1，則0.6x= a mol·L－1，x= mol/L，所以平衡時(shí)氫氣的濃度為0.4× mol/L=0.67a mol·L－1，故答案為：0.67a mol·L－1；

II.(1). 氮?dú)馀c氧氣在高溫下反應(yīng)生成NO，反應(yīng)方程式為N2＋O22NO，溫度升高，反應(yīng)速率加快，單位時(shí)間內(nèi)NO排放量越大，故答案為：N2＋O22NO；溫度升高，反應(yīng)速率加快；

(2). ①.設(shè)參加反應(yīng)的NO為xmol，則：

2NO(g)＋2CO(g) 2CO2(g)＋N2(g)

起始(mol) 0.2 0.2 0 0

轉(zhuǎn)化(mol) x x x 0.5x

平衡(mol) 0.2－x 0.2－x x 0.5x

恒溫恒容條件下，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則(0.2+0.2):(0.2-x+0.2-x+x+0.5x)=320:250，解得x=0.175mol，則v(NO)==8.75×10－4mol·L－1·min－1，故答案為：8.75×10－4mol·L－1·min－1；

②.達(dá)到平衡所需的時(shí)間越短，說(shuō)明反應(yīng)速率越快，據(jù)圖可知反應(yīng)速率II＜ I＜ III，故答案為：II、I、III；

③. 對(duì)比Ⅱ、I可知，I到達(dá)平衡時(shí)間縮短且起始?jí)簭?qiáng)增大，應(yīng)是升高溫度；對(duì)比Ⅱ、Ⅲ可知，平衡時(shí)壓強(qiáng)不變，Ⅲ到達(dá)平衡時(shí)間縮短，改變條件使反應(yīng)速率加快且不影響平衡移動(dòng)，應(yīng)是使用催化劑，故答案為：升高溫度；加催化劑；

④.根據(jù)③中分析可知，II、III相比，平衡不移動(dòng)，故CO轉(zhuǎn)化率相等，即αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)， I與II相比，I中溫度較高，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率減小，即αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)，故答案為：αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)；II、III相比，平衡不移動(dòng)，αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)，I、II相比，I中溫度高，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)，則轉(zhuǎn)化率αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)＞αⅠ(CO)。