如何降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2引起了全世界的普遍重视。目前工业上有一种方法是用CO2来生产燃料甲醇。为探究该反应原理,进行如下实验:在容积为1L的密闭容器中,充入1molCO2和3molH2。在500℃下发生发应,CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。实验测得CO2和CH3OH(g)的物质的量(n)随时间变化如下图1所示:
(1)从反应开始到平衡,氢气的平均反应速率v(H2)=________。
(2)500℃该反应的平衡常数为_____(结果保留一位小数),图2是改变温度时化学反应速率随时间变化的示意图,若提高温度到800℃进行,达平衡时,K值_____(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)下列措施中不能使CO2的转化率增大的是_______。
A 在原容器中再充入1mol H2 B 在原容器中再充入1molCO2
C 缩小容器的容积 D 使用更有效的催化剂 E 将水蒸气从体系中分离出
(4)500℃条件下,测得某时刻,CO2(g)、H2(g)、CH3OH(g)和H2O(g)的浓度均为0.5mol/L,则此时v(正)____ v(逆)(填“>”“<”或“=”)。
0.225mol/(L·min) 5.3 减小 BD >
【分析】
(1)由图可知,10min到达平衡,平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L,由方程式可知氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量3倍为2.25mol/L,v=,据此计算;
(2)平衡常数等于生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比值;升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小;
(3)要提高CO2的转化率,应使平衡向正反应方向移动,根据平衡移动原理结合选项判断;
(4)依据计算浓度商和该温度下的平衡常数比较分析判断反应进行方向。
【详解】
(1)由图可知,10min到达平衡,平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L,由方程式CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O可知,氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量的3倍,则氢气的浓度变化量为:0.75mol/L×3=2.25mol/L,则v(H2)==0.225mol/(L•min);
(2)由(1)可知平衡时各组分的浓度c(CO2)=0.25mol/L,c(CH3OH)=c(H2O)=0.75mol/L,则c(H2)=3mol/L-0.75mol/L×3=0.75mol/L,所以K===5.3,升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小;
(3)A.在原容器中再充入1mol H2,平衡向正反应方向移动,CO2的转化率增大,故A不选;B.在原容器中再充入1molCO2,CO2的转化率反而减小,故B选;C.缩小容器的容积即增大压强,平衡向正反应方向移动,CO2的转化率增大,故C不选;D.使用更有效的催化剂,平衡不移动,CO2的转化率不变,故D选;E.将水蒸气从体系中分离出,平衡向正反应方向移动,CO2的转化率增大,故E不选;故答案为BD;
(4)500℃条件下,测得某时刻,CO2(g)、H2(g)、CH3OH(g)和H2O(g)的浓度均为0.5mol/L,浓度商Q===4<K=5.33,说明反应正向进行v正>v逆。
影响化学反应速率的因素:
1.内因:参加反应的物质的结构及性质。
2.外因:主要是指浓度、温度、压强和催化剂,另外还有光、超声波、激光、搅拌、固体表面积、形成原电池等。
(1)浓度:其他条件相同时,增大反应物浓度,化学反应速率增大;减小反应物浓度,化学反应速率减小。在一定温度下,同体、纯液体的浓度视为定值,如C与CO2的反应、Na与H2O的反应中,C的量和Na、H2O 的量减少并不意味着其“浓度”减小,即不冈其量的增减而影响反应速率,但会因固体表面积的变化而改变反应速率。
(2)温度:其他条件相同时,升高温度,可以加快反应速率,实验测得,温度每升高10℃,化学反应速率通常增大到原来的2~4倍。
经验公式为
(3)压强:对于气体反应,当温度不变时,增大压强可以加快反应速率。对于气体反应体系,压强改变时有以下几种情况:
(4)催化剂:催化剂是能改变化学反应速率但在反应前后本身的质量和化学性质都不变的物质。对于某些化学反应,使用正催化剂能显著加快化学反应速率。
(5)其他因素:增大同体的表面积(如将块状改为粉末状),可增大反应速率;光照一般也可增大某些反应的速率;形成原电池可以加快反应速率;此外,超声波、放射线、电磁波等因素也能影响反应速率。
3.外因对化学反应速率影响的微观解释
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下表中是各组反应的反应物和反应温度,反应刚开始时,放出H2速率最快的是( )
编号 | 金属(粉末状) | 物质的量(mol) | 酸的浓度及体积 | 反应温度(℃) |
A | Al | 0.1 | 2mol.L-1盐酸10mL | 60 |
B | Fe | 0.1 | 1mol.L-1盐酸10mL | 50 |
C | Mg | 0.1 | 1mol.L-1盐酸10mL | 60 |
D | Mg | 0.1 | 1mol.L-1硫酸10mL | 60 |
A.A B.B C.C D.D