Question

20．低碳经济呼唤新能源和清洁环保能源．煤化工中常需研究不同温度下的平衡常数、投料比及热值等问题． 已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）的平衡常数随温度的变化如表：

温度/℃	400	427	700	800
平衡常数	9.94	9	b	0.64

请回答下列问题：
（1）上述正反应方向是放热反应（填“放热”或“吸热”）．
（2）850℃时在体积为10L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1，则0～4min的平均反应速率v（CO）=0.03mol/（L•min）
t₁℃时物质浓度（mol/L）的变化

时间（min）	CO	H2O	CO2	H2
0	0.200	0.300	0	0
2	0.138	0.238	0.062	0.062
3	c1	c2	c3	c3[m]
4	c1	c2	c3	c3
5	0.116	0.216	0.084
6	0.096	0.266	0.104

（3）若在850℃进行，设起始时CO和H₂O（g）共为5mol，水蒸气的体积分数为X；平衡时CO转化率为Y，试推导Y随X变化的函数关系式为X=Y
（4）t₁（℃高于850）℃时，在相同容器中发生上述反应，容器内各物质的浓度变化如表．
①表中3min～4min之间反应处于平衡状态；理由是反应在3min和4min时的各物质浓度相同．
②表中5min～6min之间数值发生变化，可能的原因是A（单选）．
A．增加水蒸气         B．降低温度       C．使用催化剂         D．增加氢气浓度
（5）若在500℃时进行，若CO、H₂O的起始浓度均为0.020mol/L，在该条件下，CO的最大转化率为75%．
（6）若在500℃时该反应达到了平衡状态，此时体系中的v-t图象如图2所示，若在t₁时给体系适当升高温度，则v-t图象也会随之发生变化，请把v-t图补充画全（需标明正方向的反应速率和逆方向的反应速率）．

Answer 1

分析 （1）由表可知，温度越高，平衡常数越小，反应进行程度越小，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热方向移动；
（2）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率；
（3）起始时水的物质的量为5Xmol，CO的物质的量为 5（1-X）mol，利用三段式法求出平衡时各组分的物质的量，代入800℃平衡常数，据此解答；
（4）根据浓度、压强、温度对平衡移动的影响分析．
（5）到达平衡时转化率最大，令平衡时CO的浓度变化量为cmol/L，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；
（6）反应是放热反应，升高温度平衡逆向进行，逆反应速率大于正反应速率，最后达到新的平衡，据此画出图象曲线；

解答 解：（1）由表可知，温度越高，平衡常数越小，反应进行程度越小，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热方向移动，故正反应为放热反应，故答案为：放热；
（2）v（CO）=$\frac{0.2mol/L-0.08mol/L}{4min}$=0.03mol/（L•min），故答案为：0.03mol/（L•min）；
（3）因800℃时反应平衡常数为1．起始时水的物质的量为5Xmol，CO的物质的量为 5（1-X）mol，则
               CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始：5（1-X）        5X          0         0
转化：5（1-X）Y   5（1-X）Y       5（1-X）Y  5（1-X）Y
平衡：5（1-X）（1-Y） 5（X-Y+XY） 5（1-X）Y  5（1-X）Y
所以平衡常数k=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{5（1-x）y×（1-x）y}{5（1-x）（1-y）×5（x-y+xy）}$=1，解得Y=X，故答案为：Y=X；
（4）①在高于850℃时发生反应，化学反应速率加快，一定在4min前达到化学平衡．另外从表中可看出反应在3min和4min时的各物质浓度相同，故3min-4min之间反应应处于平衡状态；
故答案为：平衡，反应在3min和4min时的各物质浓度相同；
②表中5min-6min之间CO浓度减少，H₂O浓度增大，CO₂浓度增大，只有增加水蒸气，使化学平衡向正反应方向移动，故选A，故答案为：A；
（5）设CO的浓度变化量为c，则
        CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始：0.02     0.020      0        0
转化：c         c        c        c
平衡：0.02-c    0.02-c    c        c
代入500℃时反应平衡常数有k=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{{c}^{2}}{（0.02-c）^{2}}$=9，解得c=0.015，
CO的最大所以转化率为$\frac{0.015}{0.2}$×100%=75%，故答案为：75%；
（6）反应是放热反应，升高温度平衡逆向进行，逆反应速率大于正反应速率，最后达到新的平衡，据 此画出图象曲线为：，

故答案为：；

点评 本题主要考查反应速率的计算、平衡移动的影响因素、平衡常数的计算，难度较大，要注意平衡常数只受温度的影响．