Question

3．科研生產中常涉及碳的化合物．請回答下列問題：
（1）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：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反應過程中測定的部分數(shù)據見表（表中t₂＞t₁）：

反應時間/min	N[CO（g）]mol	N[H2O（g）]mol
0	1.8	0.9
t1	1.2
t2	y	0.3

①反應在t₁ min內的平均速率為v（H₂）=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；判定t₁達平衡狀態(tài)的理由是t₁ min時生成水的物質的量為0.3mol，與t₂ min時生成水的物質的量相等，不再隨時間發(fā)生變化．
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），達平衡時，CO₂的物質的量濃度c（CO₂）=0.2mol/L．
（2）CO可用于合成甲醇，反應方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．CO在不同溫度下平衡轉化率與壓強的關系如圖所示．該反應的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”），實際生產條件控制在250℃，1.3×l0⁴kPa左右，選擇此壓強的理由是在1.3×l0⁴kPa左右，CO的轉化率已經較高，再增大壓強，對設備要求較高，增大成本．
（3）CH₄和H₂O（g）通入聚焦太陽能反應器，發(fā)生反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密閉反應器，某溫度下反應達平衡，平衡常數(shù)值K=27，此時測得n（CO）=0.2mol，通過計算求CH₄的平衡轉化率（保留2位小數(shù)）．

Answer 1

分析 （1）①根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO），再利用速率之比等于化學計量數(shù)之比計算v（H₂）；
t₁ min時生成水的物質的量為0.3mol，與t₂ min時生成水的物質的量相等，說明t₁ min時到達平衡；
②CO、H₂O按1：1反應，與原平衡相比二者物質的量互換，由于平衡常數(shù)不變，則平衡時二氧化碳的濃度相等；
（2）由圖可知，壓強一定時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡逆向移動，正反應為放熱反應；
在1.3×l0⁴kPa左右，CO的轉化率已經較高，再增大壓強，對設備要求較高，增大成本；
（3）將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密閉反應器，某溫度下反應達平衡，平衡常數(shù)值K=27，此時測得n（CO）=0.2mol，則：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）：x        x        0       0
轉化量（mol/L）：0.1      0.1      0.1     0.3
平衡量（mol/L）：x-0.1    x-0.1    0.1     0.3
再根據平衡常數(shù)列方程計算解答．

解答 解：（1）①v（CO）=$\frac{\frac{1.8mol-1.2mol}{3L}}{{t}_{1}min}$=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min），速率之比等于化學計量數(shù)之比，則v（H₂）=（CO）=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；
t₁ min時生成水的物質的量為0.3mol，與t₂ min時生成水的物質的量相等，不再隨時間發(fā)生變化，說明t₁ min時到達平衡，
故答案為：$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；t₁ min時生成水的物質的量為0.3mol，與t₂ min時生成水的物質的量相等，不再隨時間發(fā)生變化；
②CO、H₂O按1：1反應，與原平衡相比二者物質的量互換，由于平衡常數(shù)不變，則平衡時二氧化碳的濃度相等，則達平衡時，CO₂的物質的量濃度c（CO₂）=$\frac{1.8mol-1.2mol}{3L}$=0.2mol/L，
故答案為：0.2mol/L；
（2）由圖可知，壓強一定時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡逆向移動，正反應為放熱反應故△H＜0；
在1.3×l0⁴kPa左右，CO的轉化率已經較高，再增大壓強，對設備要求較高，增大成本，故選擇1.3×l0⁴kPa左右，
故答案為：＜；在1.3×l0⁴kPa左右，CO的轉化率已經較高，再增大壓強，對設備要求較高，增大成本；
（3）將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密閉反應器，某溫度下反應達平衡，平衡常數(shù)值K=27，此時測得n（CO）=0.2mol，則：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）：x       x        0       0
轉化量（mol/L）：0.1     0.1      0.1     0.3
平衡量（mol/L）：x-0.1   x-0.1    0.1     0.3
故$\frac{0.1×0．{3}^{3}}{（x-0.1）×（x-0.1）}$=27，解得x=0.11，
則CH₄的平衡轉化率為$\frac{0.1mol/L}{0.11mol/L}$×100%≈90.91%，
答：CH₄的平衡轉化率為90.91%．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、反應速率計算，注意三段式解題法在化學平衡計算中應用，注意理解掌握平衡常數(shù)應用，難度中等．