Question

12．科研生产中常涉及碳的化合物．请回答下列问题：
I、700℃时，向容积为3L的密闭容器中充人一定量的CO和H₂O，发生反应：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反应过程中测定的部分数据见表（表中t₂＞t₁）：

反应时间/min	n[CO（g）]mol	n[H2O（g）]mol
0	1.8	0.9
t1	1.2
t2		0.3

（1）该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$； 反应在0-t₁ min内的平均速率为v（H₂）=$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min）
（2）保持其他条件不变，起始时向容器中充入0.9mol CO和1.8mol H₂O（g），达平衡时，CO₂的物质的量浓度c（CO₂）=0.3mol/L
（3）判断该反应是否达到平衡的依据为cd（填正确选项前的字母）：
a．压强不随时间改变　　b．密度不随时间改变
c．c（CO）不随时间改变　　    d．单位时间里生成CO和CO₂的物质的量相等
II、CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
CO在不同温度下平衡转化率与压强的关系如图所示，该反应的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”），实际生产条件控制在250℃，1.3×l0⁴kPa左右，选择此压强而不选择更高压强的理由是在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低 
III、某温度下，将1mol CO和1mol H₂O（g）充入某固定容积的反应容器中，一段时间后达到平衡：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），此时有$\frac{2}{3}$的CO转化为CO₂．
（1）达平衡时H₂O（g）的转化率是66.7%
（2）相同条件下，开始时向容器中充入1mol CO₂、1mol H₂、1mol H₂O和0.2mol CO，则开始时的速率
v（正）＜v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）

Answer 1

分析 （1）根据平衡常数的定义写出反应的平衡常数表达式，根据v=$\frac{△C}{△t}$计算反应速率；
（2）t₂min时反应的水为0.9mol-0.3mol=0.4mol，由方程式可知参加反应的CO为0.6mol，故t₂min时CO为1.8mol-0.6mol=1.2mol，与t₁min时CO的物质的量相等，则t₁min时到达平衡状态．若保持其他条件不变，起始时向容器中充入0.90molCO（g）和1.80molH₂O（g），与原平衡中物质的量互换，二者按物质的量1：1反应，平衡常数不变，则生成物中同种物质的浓度相等，恒容条件下同种物质的物质的量相等；
（3）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
II、从横坐标上一点，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越低转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动；
III、利用将1.0mol CO和1.0mol H₂O（g）充入某固定容积的反应器中达到平衡时，发现有$\frac{2}{3}$的CO转化为CO₂，根据化学平衡的三段法计算出平衡时的量，根据公式计算出H₂O（g）的转化率，然后计算该温度下的平衡常数，再结合Qc与K的关系，判断反应进行的方向，确定V_正与V_逆的关系．

解答 解：（1）反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$，由表中数据，可知t₁min内△n（CO）=1.8mol-1.2mol=0.6mol，由方程式可知△n（H₂）=△n（CO）=0.6mol，则v（H₂）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{{t}_{1}min}$=$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min），故答案为：$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；$\frac{0.3}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；
（2）t₂min时反应的水为0.9mol-0.3mol=0.6mol，由方程式可知参加反应的CO为0.6mol，故t₂min时CO为1.8mol-0.6mol=1.2mol，与t₁min时CO的物质的量相等，则t₁min时到达平衡状态，平衡时二氧化碳为0.6mol．若保持其他条件不变，起始时向容器中充入0.90molCO（g）和1.80molH₂O（g），与原平衡中物质的量互换，二者按物质的量1：1反应，平衡常数不变，则生成物中同种物质的浓度相等，恒容条件下同种物质的物质的量相等，故到达平衡时n（CO₂）=0.60mol，c（CO₂）=$\frac{0.60mol}{2L}$=0.30mol/L，故答案为：0.3mol/L；
（3）a．该反应前后气体的物质的量不变，压强始终不变，故压强不随时间改变不能说明到达平衡，故a错误；
b．该反应前后气体的体积不变，混合气体的质量不变，气体的密度始终不变，故b错误；
c．可逆反应到达平衡时，各物质的浓度不变，故c（CO）不随时间改变，说明到达平衡，故c正确；
d．单位时间里生成CO和CO₂的物质的量相等，说明单位时间内生成的物质的量与消耗CO的物质的量相等，说明到达平衡，故d正确；
故选cd；
II、从横坐标上一点0.5处，画一条平行于纵坐标的虚线，看相同压强下不同温度时CO的平衡转化率，温度越高转化率越低，说明，升温时平衡向逆向移动．
第二问：实际生产条件控制在250℃、1.3×10⁴kPa左右，选择此压强的理由是工业生产要考虑速经济效益，要考虑速度和效率，压强越大需要的条件越高，花费越大．
故答案为：＜；在1.3×10⁴kPa下，CO的转化率已经很高，如果增加压强CO的转化率提高不大，而生产成本增加，经济效益低；
III、假设容器体积为1L，由到平衡时，发现有$\frac{2}{3}$的CO转化为CO₂，则
                           H₂O （g）+CO（g） H₂ （g）+CO₂（g）
开始（mol/L）        1             1                          0               0
转化（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）达平衡时H₂O（g）的转化率是$\frac{\frac{2}{3}}{1}$×100=66.7%，故答案为：66.7%；
  则此反应的平衡常数K=$\frac{\frac{2}{3}×\frac{2}{3}}{\frac{1}{3}×\frac{1}{3}}$=4；
（2）相同条件下，开始时向容器中充入1mol CO₂、1mol H₂、1mol H₂O和0.2mol CO，则Q_c=$\frac{1×1}{1×0.2}$=5＜K，说明此时反应逆向进行，即V_正＜V_逆，故答案为：＜．

点评 本题考查化学平衡计算，涉及反应速率计算、平衡常数应用与影响因素，侧重考查学生对数据的分析处理能力，易错点为化学平衡常数的应用，根据Qc与K之间的关系判断反应进行的方向，难度中等．