Question

20．工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如图：
（1）此流程的第II步反应为：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），该反应的平衡常数的表达式为$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；反应的平衡常数随温度的变化如下表：

温度/℃	400	500	830
平衡常数K	10	9	1

从上表可以推断：此反应是放（填“吸”或“放”）热反应．在830℃下，若开始时向恒容密闭容器中充入1mo1CO和2mo1H₂O，则达到平衡后CO的转化率为66.7%．
（2）在500℃，以下表的物质的量（按照CO、H₂O、H₂、CO₂的顺序）投入恒容密闭容器中进行上述第II步反应，达到平衡后下列关系正确的是AD．

实验编号	反应物投入量	平衡时H2浓度	吸收或放出的热量	反应物转化率
A	1、1、0、0	c1	Q1	α1
B	0、0、2、2	c2	Q2	α2
C	2、2、0、0	c3	Q3	α3

A．2c₁=c₂=c₃B．2Q₁=Q₂=Q₃C．α₁=α₂=α₃D．α₁+α₂=1
（3）在一个绝热等容容器中，不能判断此流程的第II步反应达到平衡的是②③．
①体系的压强不再发生变化        ②混合气体的密度不变
③混合气体的平均相对分子质量不变 ④各组分的物质的量浓度不再改变
⑤体系的温度不再发生变化⑥v（CO₂）_正=v（H₂O）
（4）下图表示此流程的第II步反应，在t₁时刻达到平衡、在t₂时刻因改变某个条件浓度发生变化的情况：图中t₂时刻发生改变的条件是降低温度、增加水蒸汽的量（写出两种）．若t₄时刻通过改变容积的方法将压强增大为原先的两倍，在图中t₄和t₅区间内画出CO、CO₂浓度变化曲线，并标明物质（假设各物质状态均保持不变）．

Answer 1

分析 （1）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
由表中数据可知，随温度升高平衡常数减小，说明升高温度平衡逆向移动，而升高温度平衡向吸热反应方向移动；
设在830℃下平衡时CO的转化率为x，表示出平衡时各组分物质的量，由于反应前后气体体积不变，可以用物质的量代替浓度代入平衡常数表达式列方程计算解答；
（2）各物质起始物质的量均为1：1等于化学计量数之比，结合方程式可知，故平衡时n（CO）=n（H₂O）、n（CO₂）=n（H₂），由于500℃时平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=9可知，平衡时n（CO₂）≠n（CO），则转化率不是50%；
B中转化到左边可以得到2molCO、2molH₂O，恒温恒容下B、C是完全等效平衡，平衡时相同物质的浓度相同、物质的量相同；
恒温恒容下，C等效为在A的基础上增大压强，反应前后气体体积不变，平衡不移动，反应物转化率相等、相同物质的含量相等；
（3）可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
（4）在t₂时刻后CO的浓度减小、CO₂浓度增大，平衡向正反应方向移动，可以通过改变温度、改变水蒸气或氢气的量实现；
t₄时刻通过改变容积的方法将压强增大为原先的两倍，则体积变为原来的一半，瞬间浓度分别增大为原来的2倍，由于反应前后气体系数相等，平衡不移动．

解答 解：（1）反应CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）的平衡常数的表达式K=$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；
由表中数据可知，随温度升高平衡常数减小，说明升高温度平衡逆向移动，而升高温度平衡向吸热反应方向移动，则正反应是放热反应；
设在830℃下平衡时CO的转化率为x，则：
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）：1      2        0       0
变化量（mol）：x      x        x       x
平衡量（mol）：1-x     2-x      x       x
由于反应前后气体体积不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，则K=$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{x×x}{（1-x）×（2-x）}$=1，解得x=66.7%；
故答案：$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；放；66.7%；
（2）各物质起始物质的量均为1：1等于化学计量数之比，结合方程式可知，故平衡时n（CO）=n（H₂O）、n（CO₂）=n（H₂），由于500℃时平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=9可知，平衡时n（CO₂）≠n（CO），则转化率不是50%；
B中转化到左边可以得到2molCO、2molH₂O，恒温恒容下B、C是完全等效平衡，平衡时相同物质的浓度相同、物质的量相同，则：c₂=c₃，B、C平衡时n（CO₂）≠n（CO），转化率不是50%，故Q₂≠Q₃，设平衡时CO为ymol，则α₃=$\frac{y}{2}$，α₂=$\frac{2-y}{2}$，故α₃+α₂=1，可推知α₃≠α₂；
恒温恒容下，C等效为在A的基础上增大压强，反应前后气体体积不变，平衡不移动，反应物转化率相等、相同物质的含量相等，则：α₁=α₃，c₃=2c₁，Q₃=2Q₁，
结合上述分析可知：2c₁=c₂=c₃ ，Q₃=2Q₁≠Q₂=Q₃ ，α₁=α₃≠α₂ ，α₁+α₂=1，
故选：AD；
（3）①虽然反应前后气体体积不变，但由于绝热等容容器中反应过程中有温度变化，所以压强也在变化，体系的压强不再发生变化能判断反应达到平衡，故①正确；
②反应中混合气体总质量不变，容器容积不变，混合气体密度始终不变，故②错误；
③反应中混合气体总质量不变，反应前后气体的物质的量不变，混合气体的平均相对分子质量始终不变，故③错误；
④各组分的物质的量浓度不再改变是平衡的标志，故④正确；
⑤体系的温度不再发生变化绝热容器温度不变，说明反应达到平衡，故⑤正确；
⑥反应速率之比等于化学方程式计量数之比，v（CO₂）_正=v（H₂O）_逆说明水蒸气的正逆反应速率相同，反应到达平衡，故⑥正确；
故答案为：②③；
（4）在t₂时刻CO的浓度减小、CO₂浓度增大，平衡向正反应方向移动，且CO和CO₂浓度变化有接触点，所以可以通过改变降低温度、增大水蒸气的量或减少氢气的量实现；
t₄时刻通过改变容积的方法将压强增大为原先的两倍，则体积变为原来的一半，瞬间浓度分别增大为原来的2倍，由于反应前后气体系数相等，平衡不移动，在图中t₄和t₅区间内画出CO、CO₂浓度变化曲线如图：，
故答案为：降低温度，或增加水蒸汽的量，或减少氢气的量；．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡移动原理、平衡状态判断、化学平衡图象等，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础．