Question

19．煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及各种化工产品的工业过程．
（1）将水蒸气通过红热的碳即可产生水煤气．反应为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ•mol^-1，△S=+133.7J•（K•mol）^-1
①该反应能否自发进行与温度 有关；
②一定温度下，在一个容积可变的密闭容器中，发生上述反应，下列能判断该反应达到化学平衡状态的是bc（填字母，下同）．
a．容器中的压强不变        b．1mol H-H键断裂的同时断裂2molH-O键
c．v_正（CO）=v_逆（H₂O）        d．c（CO）=c（H₂）
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应 CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所 需时间/min
		H2O	CO	H2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①实验1中以v（CO₂） 表示的反应速率为0.16 mol•L^-1•min^-1．
②该反应的逆反应为放（填“吸”或“放”）热反应
③若实验3要达到与实验2相同的平衡状态（即各物质的质量分数分别相等），且t＜3min，则a、b应满足的关系是b=2a，且a＞1 （用含a、b的数学式表示）．
（3）目前工业上有一种方法是用CO₂来生产甲醇．一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），如图表示该反应进行过程中能量（单位为kJ•mol^-1）的变化．在体积为1L的恒容密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，下列措施中能使c （CH₃OH）增大的是cd．
a．升高温度              
b．充入He（g），使体系压强增大
c．将H₂O（g）从体系中分离出来
d．再充入1mol CO₂和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）①根据△G=△H-T△S判断，△G＜0，反应自发进行；
②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；
（2）①根据表中给出的数据可以求出v（CO）表示的平均反应速率，然后根据反应速率之比等于计量系数之比，求v（ H₂）表示的平均反应速率；
②通过表中两组数据求出不同温度下转化率，比较改变温度时转化率的变化判断化学平衡移动的方向，判断反应的热效应；
③使实验3达到平衡状态时各物质的体积分数与实验2分别相等，为等效平衡，该反应为反应前后气体的体积不发生变化，满足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可；
（3）图象分析可知，反应物能量高于生成物能量，反应是放热反应，要使c（CH₃OH）增大，需要平衡正向移动；

解答 解：（1）①由热化学反应方程式可知，反应为焓增，熵增过程，即△H＞0、△S＞0，△G=△H-T△S＜0反应自发进行，所以该反应自发进行，受温度影响，298℃时，△H=+131.3kJ•mol^-1△S=+133.7J•mol^-1•K^-1，△G=△H-T△S=+131.3kJ•mol^-1-（298+273）K×（+133.7×10^-3KJ•mol^-1）•K^-1=54.96KJ/mol＞0，说明反应非自发进行，
故答案为：温度；
②a．一定温度下，在一个容积可变的密闭容器中发生上述反应，反应前后气体的物质的量发生变化，随反应进行气体的物质的量增加，压强增大，保持恒压，容器中的压强始终不变，不能说明反应到达平衡，故a错误；
b．1 molH-H键断裂的同时断裂2mol H-O键，断裂2mol H-O键同时生成l molH-H键，说明反应到达平衡，故b正确．
c．反应速率之比等于化学方程式计量数之比，v_正（CO）=v_逆（H₂O），说明水的正反应速率和逆反应速率相同，反应达到平衡状态，故c正确；
d．根据反应可知，自始至终c（CO）=c（H₂），不能说明反应到达平衡，故d错误；
故选：bc；
（2）①根据表中数据可知：反应前CO的浓度C（CO）=$\frac{n}{V}$=2mol/L，5min后浓度C（CO）′=$\frac{n}{V}$=1.2mol/L，则V（CO）=$\frac{△c}{△t}$=0.16 mol•L^-1•min^-1，根据同一反应用不同物质表示的速率之比等于方程式中各物质的计量系数之比得：V（CO）：V（H₂）=1；1，所以 以v（ H₂）表示的平均反应速为：0.16 mol•L^-1•min^-1 ，
故答案为：0.16 mol•L^-1•min^-1；
②实验1中CO的转化率为：$\frac{（4-2.4）mol}{4mol}$×100%=40%，实验2中CO的转化率为：$\frac{（2-1.6）mol}{2min}$×100%=20%，温度升高，反应物转化率降低，平衡向逆向移动，逆向为吸热反应，所以正向为放热反应，故答案为：放；
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反应特点：前后气体系数相等，要想在恒温恒容条件下建立等效平衡，只需各物质的物质的量之比应相等，该反应为反应前后气体的体积不发生变化，满足n（H₂O）：n（CO）=1：2即可．
      CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
实验2  1mol   2mol     0        0
实验3   a       b      0        0
所以只要当a：b=1：2时，且a＞1，
实验3达到与实验2达到相同的平衡状态，
故答案为：b=2a，且a＞1；
（3）图象可知，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应是气体体积减小的放热反应，
a．升高温度，平衡逆向进行，故a不选；
b．充入He（g），使体系压强增大，反应物的浓度不变，平衡不移动，故b不选；
c．将H₂O（g）从体系中分离出来，平衡正向移动，故c选；
d．再充入1mol CO₂和3mol H₂，相当于增大压强，平衡正向移动，故d选；
故答案为：cd．

点评 本题考查化学平衡状态判断，化学平衡计算以及化学平衡移动等问题，题目难度中等，把握影响因素、反应特征和化学平衡移动原理的理解应用为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查．