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【题目】已知:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=Q,其平衡常数随温度变化如下表所示:

温度/℃

400

500

850

平衡常数

9.94

9

1

请回答下列问题:

(1)上述反应的化学平衡常数表达式为________,该反应的Q________0(填“>”或“<”)。

(2)850 ℃时在体积为10 L反应器中,通入一定量的CO和H2O(g),发生上述反应,CO和H2O(g)浓度变化如图所示,则0~4 min时平均反应速率v(CO)=________

(3)若在500 ℃时进行,且CO、H2O(g)的起始浓度均为0.020 mol·L-1,该条件下,CO的最大转化率为________

(4)若在850 ℃时进行,设起始时CO和H2O(g)共为1 mol,其中水蒸气的体积分数为x,平衡时CO的转化率为y,试推导y随x变化的函数关系式为________

(5)有人提出可以设计反应2CO=2C+O2(ΔH>0)来消除CO的污染。请判断上述反应能否自发进行:____ (填“可能”或“不可能”),理由是____________________________________

【答案】)K=[c(CO2)c(H2)]/c(CO)c(H2O)<0.03 mol·L-1·min-175%y=x不能ΔH>0且ΔS<0,不能自发进行

【解析】

(1)由平衡常数的定义,平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,根据表中平衡常数随温度的变化进行判断;

(2)由图象得出,CO的浓度变化及v=c/t计算0~4min时平均反应速率v(CO);

(3)根据三段式法用c表示出平衡时各组分个浓度,再利用平衡常数列方程,求出c,再利用转化率定义计算;

(4)起始时水的物质的量为xmol,转化的CO的物质的量为(1-x)ymol,利用三段式法求出平衡时各组分的物质的量,代入850℃平衡常数,结合转化率计算

(5)根据吉布斯自由能的大小判断反应能否进行。

(1)根据 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=Q,平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,故K=c(CO2)c(H2)/c(CO)c(H2O),又依据图表数据分析,升高温度,平衡常数减小,平衡逆向移动,故正反应为放热反应,H<0;

(2)由图象得出,CO的浓度变化及v=c/t,v(CO)=(0.20mol·L1-0.08mol·L1)/4min=0.03 mol·L1·min1

(3)列出三段式,设CO的浓度变化量为c,则

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),

起始(mol·L1):0.02 0.02 0 0

转化(mol·L1):c c c c

平衡(mol·L1):0.02-c 0.02-c c c

500℃时反应平衡常数有K= =9,解得c=0.015,CO转化率为:0.015/0.02×100%=75%。

(4)因850℃时反应平衡常数为1.起始时水的物质的量为xmol,CO的物质的量为 (1-x)mol,则

CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g),

起始(mol·L1):(1-x) x 0 0

转化(mol·L1):(1-x)y (1-x)y (1-x)y (1-x)y

平衡(mol·L1):(1-x)(1-y) (x-y+xy)(1-x)y (1-x)y

平衡常数k=,解得y=x。

(5)反应2CO=2C+O2H>0),则G=H-T·S>0,反应H>0吸热且S<0,依据吉布斯自由能判断任何情况下不能自发进行。

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