Question

3．科研生产中常涉及碳的化合物．请回答下列问题：
（1）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	y	0.3

①反应在t₁ min内的平均速率为v（H₂）=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；判定t₁达平衡状态的理由是t₁ min时生成水的物质的量为0.3mol，与t₂ min时生成水的物质的量相等，不再随时间发生变化．
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）=0.2mol/L．
（2）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，选择此压强的理由是在1.3×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经较高，再增大压强，对设备要求较高，增大成本．
（3）CH₄和H₂O（g）通入聚焦太阳能反应器，发生反应：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），将等物质的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密闭反应器，某温度下反应达平衡，平衡常数值K=27，此时测得n（CO）=0.2mol，通过计算求CH₄的平衡转化率（保留2位小数）．

Answer 1

分析 （1）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
t₁ min时生成水的物质的量为0.3mol，与t₂ min时生成水的物质的量相等，说明t₁ min时到达平衡；
②CO、H₂O按1：1反应，与原平衡相比二者物质的量互换，由于平衡常数不变，则平衡时二氧化碳的浓度相等；
（2）由图可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应；
在1.3×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经较高，再增大压强，对设备要求较高，增大成本；
（3）将等物质的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密闭反应器，某温度下反应达平衡，平衡常数值K=27，此时测得n（CO）=0.2mol，则：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）：x        x        0       0
转化量（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
再根据平衡常数列方程计算解答．

解答 解：（1）①v（CO）=$\frac{\frac{1.8mol-1.2mol}{3L}}{{t}_{1}min}$=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，则v（H₂）=（CO）=$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；
t₁ min时生成水的物质的量为0.3mol，与t₂ min时生成水的物质的量相等，不再随时间发生变化，说明t₁ min时到达平衡，
故答案为：$\frac{0.2}{{t}_{1}}$mol/（L．min）；t₁ min时生成水的物质的量为0.3mol，与t₂ min时生成水的物质的量相等，不再随时间发生变化；
②CO、H₂O按1：1反应，与原平衡相比二者物质的量互换，由于平衡常数不变，则平衡时二氧化碳的浓度相等，则达平衡时，CO₂的物质的量浓度c（CO₂）=$\frac{1.8mol-1.2mol}{3L}$=0.2mol/L，
故答案为：0.2mol/L；
（2）由图可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应故△H＜0；
在1.3×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经较高，再增大压强，对设备要求较高，增大成本，故选择1.3×l0⁴kPa左右，
故答案为：＜；在1.3×l0⁴kPa左右，CO的转化率已经较高，再增大压强，对设备要求较高，增大成本；
（3）将等物质的量的CH₄和H₂O（g）充入2L恒容密闭反应器，某温度下反应达平衡，平衡常数值K=27，此时测得n（CO）=0.2mol，则：
            CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）：x       x        0       0
转化量（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，
则CH₄的平衡转化率为$\frac{0.1mol/L}{0.11mol/L}$×100%≈90.91%，
答：CH₄的平衡转化率为90.91%．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率计算，注意三段式解题法在化学平衡计算中应用，注意理解掌握平衡常数应用，难度中等．