题目内容

7.某科研单位利用石油裂解的副产物CH4来制取CO和H2,其生产流程如图1:
(1)该流程第Ⅰ步反应为:CH4(g)+H2O(g)?CO(g)+3H2(g),一定条件下CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图2.则P1<P2.(填“<”、“>”或“=”).该反应的平衡常数的表达式K=$\frac{c(CO){c}^{3}({H}_{2})}{c(C{H}_{4})c({H}_{2}O)}$.
(2)此流程的第Ⅱ步反应的平衡常数随温度的变化如表:
温度/℃300500830
平衡常数K1291
①从上表分析推断,该反应是△H<0(填“<”、“>”或“=”).
②在500℃时,设起始时CO和H2O的起始浓度均为0.010mol/L-1,在该条件下,反应达到平衡时,CO的转化率为75%.
③如图3表示该反应在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可能是降低温度,或增加水蒸汽的量,或减少氢气的量(写出两种). 

分析 (1)采取控制变量法分析,由图可知温度相同时,到达平衡时,压强为P1的CH4转化率高,反应为气体体积增大的反应,增大压强平衡向体积减小的方向移动;平衡常数是平衡状态时生成物浓度幂之积比上反应浓度幂之积,固体和纯液体不代入表达式;
(2)分析图1可知第Ⅱ发生反应为:CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g),表数据可知平衡常数随温度升高减小,说明平衡逆向进行,正反应是放热反应;在t2时刻因改变某个条件浓度发生变化的情况是二氧化碳浓度增大,一氧化碳浓度减小,结合平衡移动原理分析.

解答 解:(1)由图可知温度相同时,到达平衡时,压强为P1的CH4转化率高,平衡向正反应方向移动,反应为气体体积增大的反应,增大压强平衡向体积减小的方向移动,即P1<P2;平衡常数K=$\frac{c(CO){c}^{3}({H}_{2})}{c(C{H}_{4})c({H}_{2}O)}$,故答案为:<;$\frac{c(CO){c}^{3}({H}_{2})}{c(C{H}_{4})c({H}_{2}O)}$;
(2)①分析图表数据可知平衡常数随温度升高减小,说明平衡逆向进行,正反应是放热反应,△H<0,故答案为:<;
②设一氧化碳浓度的变化为x,则              
                 CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g),
初起量(mol/L-1):0.010    0.010     0       0
变化量(mol/L-1):x        x       x       x
平衡量(mol/L-1):0.01-x   0.01-x    x       x
在500℃时达平衡,$\frac{{x}^{2}}{(0.01-x)^{2}}=9$,解之得:x=$\frac{0.03}{4}$,所以CO的转化率为$\frac{\frac{0.03}{4}}{0.01}×100%$=75%,故答案为:75%;
③反应是气体体积不变的放热反应,在t2时刻因改变某个条件浓度发生变化的情况是二氧化碳浓度增大,一氧化碳浓度减小,说明平衡正向进行,降低温度,或增加水蒸气的量或减少氢气的量均可以实现,
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 本题考查了化学平衡的分析判断,图象分析方法,平衡常数的计算应用,平衡移动原理的理解和影响因素的分析是解题关键,题目难度中等.

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