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课题　以“工业废气中的CO2为碳源制取甲醇”为载体解决速率和平衡问题
我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。因此，研发CO2利用技术、降低空气中CO2含量成为化学科学家研究的热点。利用工业废气中的CO2可制取甲醇，二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。
甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、农药、染料、高分子等化工生产领域。如果能利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色新途径，意义重大。
影响化学反应速率和化学平衡的因素
在一容积为2 L的密闭容器内加入2 mol的CO和6 mol 的H2，在一定条件下发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH＜0。该反应的逆反应速率与时间的关系如图所示：
　由图可知反应在t1、t3、t7时都达到了平衡，而在t2、t8时都改变了条件，试判断t2、t8时改变的条件可能是什么？
　若t4时降压，t5时达到平衡，t6时增大反应物的浓度，请在图中画出t4～t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
　若容器容积不变，哪些措施可增大甲醇产率？
化学平衡常数的应用
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇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)根 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)。
(2) 反应③为吸热反应还是放热反应？
(3)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，判断此时反应v正和v逆的大小关系。
　为探究用CO2生产燃料CH3OH的反应原理，现进行如下实验：在T ℃时，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，进行题述反应，10 min 时反应达到平衡，0～10 min内，H2的反应速率为0.09 mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(保留三位有效数字)。
工业生产条件的选择
热化学法将CO2转化为甲醇。CO2催化加氢主要反应：
反应Ⅰ．CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ．CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol-1
压强分别为p1、p2时，将＝1∶3的混合气体置于密闭容器中反应，不同温度下平衡时体系中CO2转化率和CH3OH(或CO)选择性如图所示。
已知：CH3OH(或CO)的选择性＝×100%。
　曲线①、②分别代表什么？
　比较压强 p1和p2的大小。
　温度高于250 ℃，曲线②或曲线③上升的原因是什么？
氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝　ΔS＝－200 J·mol-1·K-1，已知lg 2＝0.3、lg 2.82＝0.45，回答下列问题：
(1)合成氨反应能自发进行的最低温度为________K。
(2)写出一种提高NH3产率的方法：_____________________________________
___________________________________________________________________。
(3)恒温恒容下，向密闭容器中充入一定量的N2和H2，则下列条件中一定能判断该反应达到平衡状态的是________(填字母)。
a．N2和NH3的浓度相等
b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍
c．容器中气体的平均摩尔质量不变
d．NH3的百分含量保持不变
(4)向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2发生合成氨反应，平衡时，NH3的体积分数随压强和温度的变化如图所示。
①p1、p2、p3由小到大的顺序是_____________________________________。
②若p2＝1.6 MPa，则T1 K温度下，M点对应的H2的平衡转化率为________%(保留3位有效数字)，压强平衡常数Kp＝________MPa-2(Kp为用平衡分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
3/3课题　以“工业废气中的CO2为碳源制取甲醇”
为载体解决速率和平衡问题
我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。因此，研发CO2利用技术、降低空气中CO2含量成为化学科学家研究的热点。利用工业废气中的CO2可制取甲醇，二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。
甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、农药、染料、高分子等化工生产领域。如果能利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色新途径，意义重大。
　影响化学反应速率和化学平衡的因素
在一容积为2 L的密闭容器内加入2 mol的CO和6 mol 的H2，在一定条件下发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH＜0。该反应的逆反应速率与时间的关系如图所示：
　由图可知反应在t1、t3、t7时都达到了平衡，而在t2、t8时都改变了条件，试判断t2、t8时改变的条件可能是什么？
提示：t2时改变的条件为升高温度或增加CH3OH浓度；t8时为加入催化剂。
　若t4时降压，t5时达到平衡，t6时增大反应物的浓度，请在图中画出t4～t6时逆反应速率与时间的关系曲线。
提示：
　若容器容积不变，哪些措施可增大甲醇产率？
提示：降低温度、增大压强、将CH3OH从体系中分离等。
　化学平衡常数的应用
工业上可利用CO或CO2来生产燃料甲醇。已知制备甲醇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)根 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)。
(2) 反应③为吸热反应还是放热反应？
(3)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，判断此时反应v正和v逆的大小关系。
提示：(1)K1＝，K2＝，K3＝，则K3＝K1·K2。
(2)根据K3＝K1·K2，500 ℃、800 ℃时，反应③的平衡常数分别为2.5、0.375；升高温度，K减小，平衡左移，正反应为放热反应。
(3)500 ℃时，K3＝2.5 ，Q＝＝≈0.88＜K3，故反应正向进行，v正>v逆。
　为探究用CO2生产燃料CH3OH的反应原理，现进行如下实验：在T ℃时，向2 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，进行题述反应，10 min 时反应达到平衡，0～10 min内，H2的反应速率为0.09 mol·L-1·min-1。该温度下的平衡常数K＝________(保留三位有效数字)。
提示：该时间段内，消耗氢气物质的量浓度为0.09 mol·L-1·min-1×10 min＝0.9 mol·L-1，起始时，通入CO2物质的量浓度为0.5 mol·L-1，H2物质的量浓度为，则达到平衡时，c(CO2)＝＝0.2 mol·L-1，c(H2)＝1.5 mol·L-1－0.9 mol·L-1＝0.6 mol·L-1，c(CH3OH)＝c(H2O)＝ mol·L-1＝0.3 mol·L-1，因此该温度下K＝＝≈2.08。
　工业生产条件的选择
热化学法将CO2转化为甲醇。CO2催化加氢主要反应：
反应Ⅰ．CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.4 kJ·mol-1
反应Ⅱ．CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol-1
压强分别为p1、p2时，将＝1∶3的混合气体置于密闭容器中反应，不同温度下平衡时体系中CO2转化率和CH3OH(或CO)选择性如图所示。
已知：CH3OH(或CO)的选择性＝×100%。
　曲线①、②分别代表什么？
提示：反应Ⅰ为放热反应，反应Ⅱ为吸热反应，随着温度升高，反应Ⅰ向逆反应方向进行，甲醇的选择性降低，反应Ⅱ向正反应方向进行，CO的选择性增大，则曲线①代表CH3OH的选择性，曲线②表示不同温度下CO2的转化率。
　比较压强 p1和p2的大小。
提示：反应Ⅰ是反应前后气体物质的量减少的反应，反应Ⅱ是反应前后气体物质的量不变的反应，相同温度下，增大压强，有利于反应Ⅰ向正反应方向进行，CO2的平衡转化率增大，根据图像可知，p1＞p2。
　温度高于250 ℃，曲线②或曲线③上升的原因是什么？
提示：温度高于250 ℃，曲线②、③上升且逐渐接近，说明此时反应以反应Ⅱ为主。
氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。合成氨的反应为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝　ΔS＝－200 J·mol-1·K-1，已知lg 2＝0.3、lg 2.82＝0.45，回答下列问题：
(1)合成氨反应能自发进行的最低温度为______________________K。
(2)写出一种提高NH3产率的方法：___________________________________
_____________________________________________________________________。
(3)恒温恒容下，向密闭容器中充入一定量的N2和H2，则下列条件中一定能判断该反应达到平衡状态的是________(填字母)。
a．N2和NH3的浓度相等
b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍
c．容器中气体的平均摩尔质量不变
d．NH3的百分含量保持不变
(4)向一密闭容器中充入1 mol N2和3 mol H2发生合成氨反应，平衡时，NH3的体积分数随压强和温度的变化如图所示。
①p1、p2、p3由小到大的顺序是_____________________________________。
②若p2＝1.6 MPa，则T1 K温度下，M点对应的H2的平衡转化率为________%(保留3位有效数字)，压强平衡常数Kp＝________MPa-2(Kp为用平衡分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
[答案]　(1)462　(2)及时分离出氨(或其他合理答案)　(3)cd　(4)①p1＜p2＜p3　②66.7　
[解析]　(1)根据合成氨反应能够自发进行，则ΔG＝ΔH－TΔS＜0，ΔG＝－92.4 kJ·mol-1－T×(－200)×10-3 kJ·mol-1·K-1＜0，则T＜462 K。(2)提高NH3产率的方法：设法使平衡正向移动，如及时分离出氨。(3)a．N2和NH3的浓度相等，不能说明反应达到平衡状态；b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍，都是正反应速率，不能说明反应达到平衡状态；c．＝，根据质量守恒定律m(气体)是定值，n(气体)是变量，因此容器中气体的平均摩尔质量不变说明达到平衡状态；d．NH3的百分含量保持不变说明达到平衡状态；故选cd。(4)①根据图像分析可知相同条件下增大p，平衡正向移动，平衡时NH3的体积分数增大，因此p1＜p2＜p3。
②利用三段式处理数据计算Kp，设N2的转化量为x mol。
　　　　　　　3H2(g)＋N2(g) 2NH3(g)
起始量/mol 3 1 0
转化量/mol 3x x 2x
平衡量/mol 3－3x 1－x 2x
氨体积分数＝＝0.5，解得x＝；M点对应的H2的平衡转化率为×100%≈66.7%，Kp＝ MPa-2＝ MPa-2。
章末综合测评(二)　化学反应速率与化学平衡
(本试卷共60分)
一、选择题(本题共12小题，每小题3分，共36分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1．下列关于化学反应的自发性和进行方向的说法，其中正确的是(　　)
A．多数自发反应都是吸热反应
B．一定温度下，反应Mg(l)＋Cl2(g)===MgCl2(l)的ΔH<0，ΔS<0
C．由ΔG＝ΔH－TΔS可知，所有放热反应都能自发进行
D．当ΔH－TΔS>0时，则反应能自发进行
B　[放热反应有自发的倾向，多数自发反应都是放热反应，仅有一些吸热反应ΔS>0在高温下是自发反应，如碳酸钙分解是吸热反应，在高温下是自发反应，A错误；该反应为放热反应，且反应过程中气体分子数减小，则ΔS<0，B正确；放热反应ΔH<0，当ΔH－TΔS<0，反应能自发进行，当ΔS<0且为高温时，反应不能自发进行，C错误；当ΔH－TΔS<0时，反应能自发进行，D错误。]
2．下列事实不能用勒夏特列原理解释的是(　　)
A．新制的氯水在光照下颜色变浅
B．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应，提高氨的产率
C．由NO2和N2O4组成的平衡体系加压后颜色先变深、后变浅
D．增大压强，有利于SO2与O2反应生成SO3
B　[500 ℃左右比室温更有利于合成氨是从反应速率的角度，不利于平衡正向移动，不能用勒夏特列原理解释，B符合题意。]
3．在不同条件下，分别测得反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)的化学反应速率，其中表示该反应进行得最快的是(　　)
A．v(SO2)＝4 mol·L-1·min-1
B．v(O2)＝3 mol·L-1·min-1
C．v(SO2)＝0.1 mol·L-1·s-1
D．v(O2)＝0.1 mol·L-1·s-1
D　[A、B、C、D选项换算成以SO2为标准的反应速率。A项，v(SO2)＝4 mol·L-1·min-1；B项，v(SO2)＝2v(O2)＝6 mol·L-1·min-1；C项，v(SO2)＝0.1×60 mol·L-1·min-1＝6 mol·L-1·min-1；D项，v(SO2)＝2v(O2)＝2×0.1×60 mol·L-1·min-1＝12 mol·L-1·min-1。]
4．一定量的氨基甲酸铵置于密闭容器中(容器体积不变，固体体积忽略)，在恒温下使其达到分解平衡：NH2COONH4(s) 2NH3(g)＋CO2(g)，可以判断该反应已经达到平衡的是(　　)
A．v(NH3)＝2v(CO2)
B．密闭容器中气体的平均相对分子质量不变
C．密闭容器中混合气体的密度不变
D．密闭容器中氨的体积分数不变
C　[A项，任何时刻均有v(NH3)＝2v(CO2)，因此不能作为反应达到平衡的标志；B项，反应中只有NH3和CO2为气体，且二者物质的量之比为2∶1，平均相对分子质量是个定值，其不再变化不能判断达到平衡；C项，由于反应中有非气态物质，因此恒容密闭容器中混合气体的密度不变可以作为反应达到平衡的标志；D项，密闭容器中的气态物质只有NH3和CO2，且二者的体积之比始终为2∶1，因此氨的体积分数不变不能作为反应达到平衡的标志。]
5．一定温度下，反应MgCl2(l) Mg(l)＋Cl2(g)　ΔH＞0，达到平衡时，下列说法错误的是(　　)
A．将容器体积压缩为原来的一半，当体系再次达到平衡时，Cl2的浓度增大
B．继续加入MgCl2(l)，平衡不移动
C．减小氯气浓度，平衡正向移动，平衡常数不变
D．升高温度该反应的化学平衡常数K增大
A　[将容器体积压缩为原来的一半，当体系再次达到平衡时，平衡常数不变，则Cl2的浓度不变，故A错误；继续加入MgCl2(l)，由于氯化镁是液态，因此平衡不移动，故B正确；减小氯气浓度，平衡正向移动，由于温度不变，因此平衡常数不变，故C正确；该反应是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，因此该反应的化学平衡常数K增大，故D正确。]
6．对于反应16H2S(g)＋8SO2(g) 3S8(s)＋16H2O(g)　ΔH<0，下列说法正确的是(　　)
A．该反应ΔS>0
B．反应平衡常数K＝
C．其他条件一定，增大体系的压强可以增大反应的平衡转化率
D．其他条件一定，升高温度可以增大反应的平衡常数
C　[由反应可知，反应后气体分子数减小，则ΔS<0，A错误；由反应式可知，平衡常数K＝，B错误；增大压强，平衡正向进行，增大了平衡转化率，C正确；该反应为放热反应，升高温度，反应逆向进行，平衡常数减小，D错误。]
7．尿素[CO(NH2)2]是一种高效缓释氮肥。利用NH3和CO2合成尿素的反应分两步进行：
①2NH3(l)＋CO2(g)===NH4COONH2(l)　ΔH1＝－117.2 kJ·mol-1；
②NH4COONH2(l)===CO(NH2)2(l)＋H2O(l)　ΔH2＝＋16.67 kJ·mol-1。
下列说法正确的是(　　)
A．CO(NH2)2(s)＋H2O(l)===2NH3(l)＋CO2(g)的ΔH＝－100.53 kJ·mol-1
B．反应①的ΔS>0
C．反应①的平衡常数K＝c(CO2)
D．反应①平衡后加热，平衡向逆反应方向移动
D　[设③CO(NH2)2(s)===CO(NH2)2(l)　ΔH3>0，根据盖斯定律，③－①－②得：CO(NH2)2(s)＋H2O(l) 2NH3(l)＋CO2(g)，该反应的ΔH＝ΔH3－ΔH1－ΔH2＝ΔH3＋117.2 kJ·mol-1－16.67 kJ·mol-1＝ΔH3＋100.53 kJ·mol-1>0，A错误；反应①中气态反应物生成了液态生成物，所以ΔS<0，B错误；平衡常数是用平衡时生成物浓度幂之积除以反应物浓度幂之积，固体和纯液体不写在平衡常数表达式中，则反应①的平衡常数可表示为K＝，C错误；反应①为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，D正确。]
8．对于可逆反应2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g)　ΔH＜0，下列研究目的和示意图相符的是(　　)
选项 A B
研究 目的 温度对反应的影响 压强对反应的影响，p1>p2
图示
选项 C D
研究 目的 缩小容器体积对平衡体系的影响 恒温条件下，加入催化剂对平衡体系的影响
图示
B　[该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氧气的转化率降低，与题图不符，选项A错误；根据图像，p1达到平衡使用的时间短，则p1>p2，增大压强，平衡正向移动，SO2的百分数减小，与题图相符，选项B正确；反应达到平衡后，缩小容器体积则压强增大，该反应正反应方向为气体体积减小的方向，正反应速率增大，逆反应速率增大，正反应速率增大的倍数更大，平衡正向移动，重新达平衡时速率更大，与题图不相符，选项C错误；催化剂能降低反应的活化能，增大反应速率，达到平衡所用的时间变短，与题图不符，选项D错误。]
9．目前，常利用催化技术将汽车尾气中的NO和CO转化为CO2和N2。为研究反应条件对该化学反应的影响，某课题组按下表数据进行了实验探究。实验中使用了等质量的同种催化剂，测得CO的浓度随时间的变化如图所示。下列说法不正确的是(　　)
编号 T/℃ cNO/ (mol·L-1) cCO/ (mol·L-1) 催化剂的 比表面积/ (m2·g-1)
Ⅰ 280 6.50×10-3 4.00×10-3 80.0
Ⅱ 6.50×10-3 4.00×10-3 120
Ⅲ 360 6.50×10-3 4.00×10-3 80.0
A．实验Ⅱ的反应温度为280 ℃
B．由实验Ⅰ、Ⅱ可知，增大催化剂的比表面积，该化学反应速率增大
C．实验Ⅰ达到平衡时，NO的浓度为4.50×10-3 mol·L-1
D．该反应的反应热ΔH<0
C　[根据单一变量原则，实验Ⅰ和Ⅱ催化剂的比表面积不同，温度应该相同，再结合题图可知，实验Ⅱ的反应温度为280 ℃，故A正确；实验Ⅰ、Ⅱ催化剂的比表面积不同，增大催化剂的比表面积，化学反应速率增大，故B正确；NO和CO转化为CO2和N2的化学方程式为2NO＋2CO2CO2＋N2，Δc(NO)＝Δc(CO)＝4.00×10-3 mol·L-1－1.00×10-3 mol·L-1＝3.00×10-3 mol·L-1 ，所以达到平衡时，NO的浓度为6.50×10-3 mol·L-1－3.00×10-3 mol·L-1＝3.50×10-3 mol·L-1，故C错误；对比实验Ⅰ和Ⅲ，温度升高，平衡时CO浓度升高，平衡逆向移动，说明ΔH<0，故D正确。]
10．某反应A(g)＋B(g)===C(g)＋D(g)的速率方程为v＝k·cm(A)·cn(B)，其半衰期(当剩余的反应物恰好是起始的一半时所需的时间)为。在650 K时，反应物浓度不同时的反应速率如表所示。
c(A)/(mol·L-1) 0.025 0.050 0.025
c(B)/(mol·L-1) 0.040 0.040 0.120
v/(mol·L-1·min-1) 2.2×10-6 4.4×10-6 6.6×10-6
下列说法错误的是(　　)
A．该反应可能为基元反应
B．该反应的速率常数k＝2.2×10-3 L·mol-1·min-1
C．当c(A)＝，c(B)＝0.160 mol·L-1，650 K时的反应速率为3.52×10-4 mol·L-1·min-1
D．在过量的B存在时，反应掉93.75%的A所需的时间是1 200 min
C　[由表中数据可知c(A)、c(B)与v均成正比，m＝n＝1，v＝k·c(A)·c(B)，反应物之间可直接反应生成产物，反应可能为基元反应，故A正确；结合A项分析及表中数据：k×0.025×0.040 mol2·L-2＝2.2×10-6 mol·L-1·min-1，k＝2.2×10-3 L·mol-1·min-1，故B正确；由B项分析可知：v＝2.2×10-3 L·mol-1·min-1×c(A)·c(B)，当c(A)＝0.100 mol·L-1，c(B)＝0.160 mol·L-1，650 K时的反应速率为3.52×10-5 mol·L-1·min-1，故C错误；D．在过量的B存在时，反应掉93.75%的A，经历4个半衰期，半衰期为 min＝300 min，反应掉93.75%的A所需的时间是300 min×4＝1 200 min，故D正确。]
11．模拟工业废气CO2合成甲醇CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＜0，在2 L密闭容器中按照不同氢碳比投料(曲线①～③)，测得H2平衡转化率与温度的关系如图所示。已知该反应速率v＝v正－v逆＝k正·c(CO2)·c3(H2)－k逆·c(CH3OH)·c(H2O)，其中k正、k逆分别为正、逆反应速率常数。下列说法不正确的是(　　)
A．氢碳比由大到小的顺序是①>②>③
B．a、b、c处lg k正－lg k逆的大小：a>b＝c
C．a、b处v正的大小：aD．若按曲线③的起始氢碳比充入2 mol CO2和4 mol H2达到平衡，则a点处＝4
A　[相同温度下，氢碳比越大，氢气的平衡转化率越小，则氢碳比由大到小的顺序为③>②>①，A错误；a、b、c三点都处于平衡状态，v正－v逆＝k正·c(CO2)·c3(H2)－k逆·c(CH3OH)·c(H2O)＝0，则有k正·c(CO2)·c3(H2)＝k逆·c(CH3OH)·c(H2O)，＝＝K，lg k正－lg k逆＝lg K，b、c点温度相同，K相同，a点温度较低，且该反应正反应为放热反应，故a点K大于b、c点，B正确；b点相对于a点温度升高，虽然升高温度化学平衡逆向移动，但是温度升高反应速率增大，a、b处v正大小：aCO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
初始/mol 2 4 0 0
转化/mol x 3x x x
平衡/mol 2－x 4－3x x x
＝0.75，解得x＝1，则平衡时各物质浓度均为＝K＝＝4，D正确。]
12．在溶液中用光照射Cu-PHI催化剂产生光电子和空穴h＋，可以在常温常压下使甲烷转化为甲醇和氢气，其部分反应机理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．空穴h＋参与发生的反应为2H2O＋2h＋===H2O2＋2H＋
B．光电子参与发生的反应为2H＋＋2e－===H2
C．反应过程中水作还原剂
D．该反应的化学方程式为CH4＋H2OCH3OH＋H2
C　[根据图中信息，空穴h＋与水反应，其参与发生的反应为2H2O＋2h＋===H2O2＋2H＋，故A正确；氢离子得到光电子提供的电子，则参与发生的反应为2H＋＋2e－===H2，故B正确；该反应的化学方程式为CH4＋H2OCH3OH＋H2，水中氢化合价降低，则反应过程中水作氧化剂，故C错误；根据图中信息常温常压下使甲烷和水转化为甲醇和氢气，则该反应的化学方程式为CH4＋H2OCH3OH＋H2，故D正确。]
二、非选择题(本题共3小题，共24分)
13．(10分)甲醇是一种重要的化工原料，具有开发和应用的广阔前景。工业上使用水煤气(CO与H2的混合气体)合成甲醇，反应为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH＝a kJ·mol-1。回答下列问题：
(1)CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①a________(填“>”或“<”)0，p1、p2的大小关系是p1________(填“>”“<”或“＝”)p2。
②A、B、C三点的平衡常数KA、KB、KC的大小关系是_______________。
③下列叙述能说明上述反应已达到化学平衡状态的是________(填标号)。(4分)
A．2v正(H2)＝v逆(CH3OH)
B．CH3OH的体积分数不再改变
C．混合气体的平均摩尔质量不再改变
D．同一时间内，消耗0.04 mol H2，生成0.02 mol CH3OH
(2)在温度为T ℃的条件下，往一容积为2 L 的密闭容器中，充入0.3 mol CO与0.4 mol H2发生反应生成CH3OH，平衡时，测得CH3OH物质的量为0.15 mol。
①温度为T ℃时的化学平衡常数K＝________，CO的转化率＝________。
②若以不同比例投料，测得某时刻各物质的浓度，CO为0.1 mol·L-1、H2为0.2 mol·L-1、CH3OH为0.2 mol·L-1，此时v(正)________(填“>”“<”或“＝”)v(逆)。(6分)
[答案]　(1)①<　>　②KA＝KB>KC　③BC　(2)①400　50%　②>
[解析]　(1)①升高温度，CO的平衡转化率下降，说明平衡逆向移动，则逆反应为吸热反应，正反应为放热反应即a<0，该反应是气体体积减小的反应，以A、B分析，A到B：CO转化率增大，平衡正向移动，则为加压，因此p1、p2的大小关系是p1>p2；
②A、B温度相同，则KA＝KB，C点温度比B点高，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，KB>KC，则A、B、C三点的平衡常数的大小关系是KA＝KB>KC；
③2v正(H2)＝v逆(CH3OH)，一个正反应，一个逆反应，但速率比不等于化学计量数之比，故A不符合题意；CH3OH的体积分数不再改变，说明甲醇的量不再改变，则能说明达到平衡，故B符合题意；平均摩尔质量等于气体质量除以气体物质的量，气体质量不变，气体物质的量减小，平均摩尔质量增大，当混合气体的平均摩尔质量不再改变，则达到平衡，故C符合题意；同一时间内，消耗0.04 mol H2，生成0.02 mol CH3OH，都为正向，同一个方向，不能说明达到平衡，故D不符合题意。
(2)①根据CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)得到消耗CO、H2分别为0.15 mol、0.3 mol，剩余CO、H2分别为0.15 mol、0.1 mol，CH3OH的生成量为0.15 mol，则温度为T ℃时的化学平衡常数K＝＝400，CO的转化率为×100%＝50%；②若以不同比例投料，测得某时刻各物质的浓度，CO为0.1 mol·L-1、H2为、CH3OH为0.2 mol·L-1，Q＝＝50<400，则平衡要正向移动，此时v(正)>v(逆)。
14．(7分)氮的氧化物既是常见的大气污染物，也是重要的化工原料，它们在工农业生产、生活中都发挥着重要作用。
(1)NO和CO均为汽车尾气的成分，在催化转换器中二者可发生反应减少尾气污染。已知 2NO(g)＋2CO(g) N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＜0。该反应能自发进行的条件是________________________。(1分)
(2)已知：2C(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH＝
N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH＝－b kJ·mol-1
2NO(g)＋2CO(g)===2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－c kJ·mol-1
则2NO(g)＋C(s)===CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝________kJ·mol-1。(2分)
(3)在其他条件相同时，分别测得反应2NO(g)＋O2(g) 2NO2(g)中NO的平衡转化率在不同压强(p1、p2)下随温度变化的曲线如图：
则p1____ (填“>”“<”或“＝”，下同)p2，400 ℃和500 ℃时的平衡常数分别为K1和K2，则K1________K2。(2分)
(4)在373 K时，向体积为2 L的恒容真空容器中通入0.40 mol NO2，发生反应：2NO2(g) N2O4(g)　ΔH＝－57.0 kJ·mol-1；NO2的体积分数[φ(NO2)]与反应时间(t)的关系如下表：
t/min 0 20 40 60 80
φ(NO2) 1.0 0.75 0.52 0.40 0.40
①0～20 min，v(N2O4)＝________mol·L-1·min-1。
②上述反应中，v正(NO2)＝k1c2(NO2)，v逆(N2O4)＝k2c(N2O4)，其中k1、k2为速率常数，则373 K时k1、k2的关系为________(用含k1、k2的式子表示)。(2分)
[答案]　(1)低温　(2)　(3)<　>
(4)①0.002　②k1＝60k2
[解析]　(1)该反应ΔH＜0，ΔS＜0，根据ΔH－TΔS＜0，反应才能自发进行，则该反应能自发进行的条件是低温。(2)对题干的三个热化学方程式从上到下分别编号为①②③，根据盖斯定律：×反应(①＋③－②)可得2NO(g)＋C(s)===CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝ kJ·mol-1。(3)反应2NO(g)＋O2(g) 2NO2(g)正向气体分子数减小，相同温度下，压强增大，平衡正向移动，NO平衡转化率升高，根据图示可知p1＜p2；由题给图示可知，相同压强下，随着温度升高，NO平衡转化率减小，平衡逆向移动，说明正反应放热，温度越高，平衡常数越小，故K1＞K2。(4)①设0～20 min生成N2O4的物质的量是x mol，列出三段式：
　　　　　　　　 　2NO2(g) N2O4(g)
起始量/(mol·L-1) 0.2 0
变化量/(mol·L-1) x
20 min时量/(mol·L-1) 0.2－x ，
20 min时φ(NO2)＝＝0.75，解得x＝0.08，v(N2O4)＝＝ mol·L-1·min-1＝0.002 mol·L-1·min-1。
②设平衡时N2O4的浓度为x mol·L-1，列出三段式：
2NO2(g) N2O4(g)
起始量/(mol·L-1) 0.2 0
变化量/(mol·L-1) 2x x
平衡量/(mol·L-1) 0.2－2x x，
60 min时反应已达到平衡状态，平衡时φ(NO2)＝＝0.4，解得x＝0.075，平衡时，正、逆反应速率相等，即v正(NO2)∶v逆(N2O4)＝2∶1，则[k1·c2(NO2)]∶[k2·c(N2O4)]＝2∶1，(k1×0.052)∶(k2×0.075)＝2∶1，可得到k1＝60k2。
15．(7分)(1)我国科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了在铁掺杂W18049纳米反应器催化剂表面上实现常温低电位合成氨，获得较高的氨产量和法拉第效率。反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*标注。
需要吸收能量最大的能垒(活化能)E＝________eV，该步骤的化学方程式为_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。(3分)
(2)T ℃时，在恒温恒容的密闭条件下发生反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，反应过程中各物质浓度的变化曲线如图所示。
①表示N2浓度变化的曲线是________(填“A”“B”或“C”)。(1分)
②在0～25 min内H2的平均反应速率为_______________________。
在该条件下反应的平衡常数为__________(保留两位有效数字)。(3分)
[答案]　(1)1.54　H3N*＋NH3===2NH3
(2)①B　②·min-1　0.73
[解析]　(1)根据图示，吸收能量最大能垒，即相对能量的差最大为－1.02 eV－(－2.56 eV)＝1.54 eV；根据图示，该步反应的化学方程式为H3N*＋NH3===2NH3。(2)①根据反应的化学方程式，N2、H2、NH3的变化量之比为1∶3∶2，图中曲线B的变化量为0.05 mol·L-1，曲线A的变化量为0.15 mol·L-1，曲线C的变化量为0.1 mol·L-1，所以N2浓度变化曲线为B。②A表示H2的浓度变化，v(H2)＝＝0.006 mol·L-1·min-1；平衡常数K＝＝≈0.73。

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