Question

12．科研生產(chǎn)中常涉及碳的化合物．請回答下列問題：
I、700℃時，向容積為3L的密閉容器中充人一定量的CO和H₂O，發(fā)生反應(yīng)：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反應(yīng)過程中測定的部分?jǐn)?shù)據(jù)見表（表中t₂＞t₁）：

反應(yīng)時間/min	n[CO（g）]mol	n[H2O（g）]mol
0	1.8	0.9
t1	1.2
t2		0.3

（1）該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$； 反應(yīng)在0-t₁ min內(nèi)的平均速率為v（H₂）=$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min）
（2）保持其他條件不變，起始時向容器中充入0.9mol CO和1.8mol H₂O（g），達(dá)平衡時，CO₂的物質(zhì)的量濃度c（CO₂）=0.3mol/L
（3）判斷該反應(yīng)是否達(dá)到平衡的依據(jù)為cd（填正確選項前的字母）：
a．壓強不隨時間改變　　b．密度不隨時間改變
c．c（CO）不隨時間改變　　    d．單位時間里生成CO和CO₂的物質(zhì)的量相等
II、CO可用于合成甲醇，反應(yīng)方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
CO在不同溫度下平衡轉(zhuǎn)化率與壓強的關(guān)系如圖所示，該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”），實際生產(chǎn)條件控制在250℃，1.3×l0⁴kPa左右，選擇此壓強而不選擇更高壓強的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如果增加壓強CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，而生產(chǎn)成本增加，經(jīng)濟(jì)效益低 
III、某溫度下，將1mol CO和1mol H₂O（g）充入某固定容積的反應(yīng)容器中，一段時間后達(dá)到平衡：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），此時有$\frac{2}{3}$的CO轉(zhuǎn)化為CO₂．
（1）達(dá)平衡時H₂O（g）的轉(zhuǎn)化率是66.7%
（2）相同條件下，開始時向容器中充入1mol CO₂、1mol H₂、1mol H₂O和0.2mol CO，則開始時的速率
v（正）＜v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)平衡常數(shù)的定義寫出反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式，根據(jù)v=$\frac{△C}{△t}$計算反應(yīng)速率；
（2）t₂min時反應(yīng)的水為0.9mol-0.3mol=0.4mol，由方程式可知參加反應(yīng)的CO為0.6mol，故t₂min時CO為1.8mol-0.6mol=1.2mol，與t₁min時CO的物質(zhì)的量相等，則t₁min時到達(dá)平衡狀態(tài)．若保持其他條件不變，起始時向容器中充入0.90molCO（g）和1.80molH₂O（g），與原平衡中物質(zhì)的量互換，二者按物質(zhì)的量1：1反應(yīng)，平衡常數(shù)不變，則生成物中同種物質(zhì)的濃度相等，恒容條件下同種物質(zhì)的物質(zhì)的量相等；
（3）根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
II、從橫坐標(biāo)上一點，畫一條平行于縱坐標(biāo)的虛線，看相同壓強下不同溫度時CO的平衡轉(zhuǎn)化率，溫度越低轉(zhuǎn)化率越低，說明，升溫時平衡向逆向移動；
III、利用將1.0mol CO和1.0mol H₂O（g）充入某固定容積的反應(yīng)器中達(dá)到平衡時，發(fā)現(xiàn)有$\frac{2}{3}$的CO轉(zhuǎn)化為CO₂，根據(jù)化學(xué)平衡的三段法計算出平衡時的量，根據(jù)公式計算出H₂O（g）的轉(zhuǎn)化率，然后計算該溫度下的平衡常數(shù)，再結(jié)合Qc與K的關(guān)系，判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，確定V_正與V_逆的關(guān)系．

解答 解：（1）反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$，由表中數(shù)據(jù)，可知t₁min內(nèi)△n（CO）=1.8mol-1.2mol=0.6mol，由方程式可知△n（H₂）=△n（CO）=0.6mol，則v（H₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{{t}_{1}min}$=$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min），故答案為：$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；
（2）t₂min時反應(yīng)的水為0.9mol-0.3mol=0.6mol，由方程式可知參加反應(yīng)的CO為0.6mol，故t₂min時CO為1.8mol-0.6mol=1.2mol，與t₁min時CO的物質(zhì)的量相等，則t₁min時到達(dá)平衡狀態(tài)，平衡時二氧化碳為0.6mol．若保持其他條件不變，起始時向容器中充入0.90molCO（g）和1.80molH₂O（g），與原平衡中物質(zhì)的量互換，二者按物質(zhì)的量1：1反應(yīng)，平衡常數(shù)不變，則生成物中同種物質(zhì)的濃度相等，恒容條件下同種物質(zhì)的物質(zhì)的量相等，故到達(dá)平衡時n（CO₂）=0.60mol，c（CO₂）=$\frac{0.60mol}{2L}$=0.30mol/L，故答案為：0.3mol/L；
（3）a．該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，壓強始終不變，故壓強不隨時間改變不能說明到達(dá)平衡，故a錯誤；
b．該反應(yīng)前后氣體的體積不變，混合氣體的質(zhì)量不變，氣體的密度始終不變，故b錯誤；
c．可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，各物質(zhì)的濃度不變，故c（CO）不隨時間改變，說明到達(dá)平衡，故c正確；
d．單位時間里生成CO和CO₂的物質(zhì)的量相等，說明單位時間內(nèi)生成的物質(zhì)的量與消耗CO的物質(zhì)的量相等，說明到達(dá)平衡，故d正確；
故選cd；
II、從橫坐標(biāo)上一點0.5處，畫一條平行于縱坐標(biāo)的虛線，看相同壓強下不同溫度時CO的平衡轉(zhuǎn)化率，溫度越高轉(zhuǎn)化率越低，說明，升溫時平衡向逆向移動．
第二問：實際生產(chǎn)條件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是工業(yè)生產(chǎn)要考慮速經(jīng)濟(jì)效益，要考慮速度和效率，壓強越大需要的條件越高，花費越大．
故答案為：＜；在1.3×10⁴kPa下，CO的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，如果增加壓強CO的轉(zhuǎn)化率提高不大，而生產(chǎn)成本增加，經(jīng)濟(jì)效益低；
III、假設(shè)容器體積為1L，由到平衡時，發(fā)現(xiàn)有$\frac{2}{3}$的CO轉(zhuǎn)化為CO₂，則
                           H₂O （g）+CO（g） H₂ （g）+CO₂（g）
開始（mol/L）        1             1                          0               0
轉(zhuǎn)化（mol/L）       $\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$                        $\frac{2}{3}$                $\frac{2}{3}$
平衡（mol/L）       $\frac{1}{3}$             $\frac{1}{3}$                        $\frac{2}{3}$                $\frac{2}{3}$
（1）達(dá)平衡時H₂O（g）的轉(zhuǎn)化率是$\frac{\frac{2}{3}}{1}$×100=66.7%，故答案為：66.7%；
  則此反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{2}{3}×\frac{2}{3}}{\frac{1}{3}×\frac{1}{3}}$=4；
（2）相同條件下，開始時向容器中充入1mol CO₂、1mol H₂、1mol H₂O和0.2mol CO，則Q_c=$\frac{1×1}{1×0.2}$=5＜K，說明此時反應(yīng)逆向進(jìn)行，即V_正＜V_逆，故答案為：＜．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算，涉及反應(yīng)速率計算、平衡常數(shù)應(yīng)用與影響因素，側(cè)重考查學(xué)生對數(shù)據(jù)的分析處理能力，易錯點為化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用，根據(jù)Qc與K之間的關(guān)系判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，難度中等．