题目内容

在一定温度下,把2摩SO2和1摩O2通入一个一定容积的密闭的容器里,发生如下反应:
当此反应进行到一定程度时,反应混和物就处于化学平衡状态.现在该容器中,维持温度不变,令a、b、c分别代表初始加入的SO2、O2和SO3的物质的量(摩).如果a、b、c取不同的数值,它们必须满足一定的相互关系,才能保证达到平衡时,反应混合物中三种气体的百分含量仍跟上述平衡时的完全相同.请填写下列空白:
(1)若a=0,b=0,则c=
2
2

(2)若a=0.5,则b=
0.25
0.25
和c=
1.5
1.5

(3)a、b、c取值必须满足的一般条件是(请用两个方程式表示,其中一个只含a和c,另一个只含b和c):
a+c=2,2b+c=2
a+c=2,2b+c=2
分析:对于平衡状态的建立,只与条件相关,即与温度、压强(或容器的容积)、反应物或生成物的起始量的相对关系有关,而与反应进行的方向无关.
因此对于该条件下的反应,初始态是2 mol SO2和1 mol O2的混合物,或是2 mol纯净的SO3,两者是等价的,最终到达的平衡状态完全相同.因此(1)中答案应为c=2.
而(2)中初始态包含了三种气态物质,此时需要进行思维转换,将初始物质的加入量转换为相当于a=2,b=1,就可以达到题设的平衡状态.现在a=0.5,则b═0.25,此时与题干所设初始态的差别是△a=2-0.5=1.5,△b=1-0.25=0.75,由此SO3的初始加入量c必须转化为等效于a=1.5和b=0.75的量,根据该反应方程式的化学计量数比推断知c=1.5.
(3)中要求将具体问题抽象为普遍规律,此时必须把握“把所有初始物都转换为反应物,则必须相当于2 mol SO2和1 mol O2的混合物,把所有的初始物转换为生成物,则必须相当于2 mol纯净的SO3”.才能得出正确结论:必须同时满足a+c=2和2b+c=2两个关系式.
解答:解:设起始时2摩SO2和1摩O2为Ⅰ状态,其它条件为Ⅱ状态,温度不变,体积不变时,
根据改变起始加入量情况,则只要通过可逆反应的化学计量数比换算(极限假设转换)成反应方程式左(或右)的同一边物质的物质的量与原平衡相同即可.利用方程式求解:
(1)2SO2+O22SO3
Ⅰ2mol  1mol         0
Ⅱ0     0           cmol
根据方程式可知:2 mol SO3相当于2 mol SO2和1 mol O2,故c=2 mol.
故答案为:c=2;
(2)2SO2+O22SO3
Ⅰ2mol  1mol         0
Ⅱ0.5mol bmol        cmol
则有:0.5+c=2;b+
c
2
=1,解之得:b=0.25 mol,c=1.5 mol,
故答案为:b=0.25和c=1.5;
(3)2SO2+O22SO3
Ⅰ2mol  1mol         0
Ⅱa     b          c  
当SO2和SO3的物质的量之和为2 mol时,才能保证反应初始SO2的物质的量为2mol,即a+c=2mol,此时要求O21mol,那么就有b+0.5c=1mol.
满足此两条件方可使平衡与题说平衡完全相同.故答案为:a+c=2;2b+c=2.
点评:本题是对可逆反应和化学平衡状态的理解以及利用题给信息将化学问题以及内在规律抽象为数学问题,利用数学工具解决化学问题的思维能力的综合考查.做题时注意在定温(T)、定容(V)条件下,建立的两平衡体系中不仅同种物质的百分含量相等,而且物质的量浓度、物质的量也分别相等.
练习册系列答案
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甲醇可作为燃料电池的原料.以CH4和H2O为原料,通过下列反应反应来制备甲醇.
反应I:CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)△H=+206.0kJ?mol-1
反应II:CO (g)+2H2 (g)=CH3OH (g)△H=-129.0kJ?mol-1
(1)CH3OH (g)和H2(g)反应生成CH4(g)与H2O(g)的热化学方程式为
CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1

(2)将1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容积固定为10L的反应室,在一定条件下发生反应I,测得在一定的压强下CH4的转化率与温度的关系如图1.
①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min,则用H2表示该反应的平均反应速率为
0.03 mol?L-1?min-1
0.03 mol?L-1?min-1

②100℃时反应I的平衡常数为
2.25×10-2
2.25×10-2

③可用来判断该反应达到平衡状态的标志有
A D
A D
.(填字母)
A.CO的含量保持不变                  
B.容器中CH4浓度与CO浓度相等
C.容器中混合气体的密度保持不变       
D.3V(CH4)=V(H2
(3)按照反应II来生成甲醇,按照相同的物质的量投料,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示.下列说法正确的是
C
C

A.温度:T1>T2>T3
B.正反应速率:ν(a)>ν(c); ν(b)>ν(d)
C.平衡常数:K(a)>K(c); K(b)=K(d)
D.平均摩尔质量:M(a)<M(c); M(b)>M(d)
(4)工业上利用甲醇制备氢气的常用方法之一为:甲醇蒸汽重整法.该法中的一个主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),此反应能自发进行的原因是
该反应是一个熵增的反应
该反应是一个熵增的反应

(5)甲醇对水质会造成一定的污染,有一种电化学法可消除这种污染,其原理是:通电后,将Co2+氧化成Co3+,然后以Co3+做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化.实验室用图3装置模拟上述过程:
①写出阳极电极反应式
Co2+-e-=Co3+
Co2+-e-=Co3+

②写出除去甲醇的离子方程式
6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6 Co2++6H+
6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6 Co2++6H+

③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,则电池负极的电极反应式为:
CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O
CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O

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