Question

4．煤的气化可以减少环境污染，而且生成的CO和H₂被称作合成气，能合成很多基础有机化工原料．
（1）一定条件下，H₂、CO在体积固定的绝热密闭容器中发生如下反应：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），下列选项能判断该反应达到平衡状态的依据的有BD．
A．v（H₂）=2v（CO）
B．平衡常数K不再随时间而变化
C．混合气体的密度保持不变
D．混合气体的平均相对分子质量不随时间而变化
（2）工业可采用CO与H₂反应合成再生能源甲醇，反应：CO（g）+2H₂（g）??CH₃OH（g），在一容积可变的密闭容器中充有10mol CO和20mol H₂，在催化剂作用下发生反应生成甲醇．CO的平衡转化率（α）与温度（T ）、压强（p）的关系如图1所示．
①合成甲醇的反应为放热（填“放热”或“吸热”）反应．
②A、B、C三点的平衡常数K_A、K_B、K_C的大小关系为K_A=K_B＞K_C，p₁和p₂的大小关系为P₁＜P₂．
③若达到平衡状态A时，容器的体积为10L，则在平衡状态B时容器的体积为2 L．
④CO的平衡转化率（α）与温度（T ）、压强（p）的关系如图2所示，实际生产时条件控制在250℃、1.3×10⁴ kPa左右，选择此压强的理由是在1.3×10⁴Pa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，生产成本却增加．

Answer 1

分析 （1）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由图1可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动；
②平衡常数与浓度、压强无关，只与温度有关，结合平衡移动判断；增大压强平衡正移，CO的转化率增大；
③A、B两点温度相等，压强不同，平衡常数相同，利用三段式计算A、B两点平衡时各组分物质的量，根据A点各物质的浓度计算平衡常数，再根据平衡常数计算B点体积；
④由图3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，时CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，且增大成本．

解答 解：（1）A.2v（H₂）=v （CO）中未指明正逆速率，不能说明得到平衡，故A错误；
B．平衡常数与浓度、压强无关，只与温度有关，温度一定时平衡常数为定值，绝热密闭容器中，容器中的温度随着反应进行不断变化，则平衡常数不断变化，当平衡常数不变时说明达到了平衡状态，故B正确；
C．容器体积不变，混合气体总质量不变，混合气体密度始终保持不变，不能说明得到平衡，故C错误；
D．混合气体总质量不变，随反应进行气体物质的量减小，混合气体平均相对分子质量减小，当混合气体的平均相对分子质量不随时间而变化，说明反应到达平衡，故D正确，
故答案为：BD；
（2）①由图1可知，压强一定时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，即正反应为放热反应，故答案为：放热；
②平衡常数与压强无关，只与温度有关，A、B温度相等，则K_A=K_B，相同压强下，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则平衡常数减小，故K_B＞K_C，故K_A=K_B＞K_C；增大压强平衡正移，CO的转化率增大，已知P₂条件下，CO的转化率大，则P₁＜P₂；
故答案为：K_A=K_B＞K_C； P₁＜P₂；
③A、B两点温度相等，压强不同，平衡常数相同，
对应A点，CO转化率为0.5，参加反应CO为10mol×0.5=5mol，
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol）：10      20                   0
转化（mol）：5       10                   5
平衡（mol）：5       10                   5
故T₁温度下，平衡常数K=$\frac{\frac{5}{10}}{\frac{5}{10}×（\frac{10}{10}）^{2}}$=1
对应B点，CO转化率为0.8，参加反应CO为10mol×0.8=8mol，
                  CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol）：10        20                    0
转化（mol）：8          16                    8
平衡（mol）：2           4                     8
设平衡时的体积为VL，则$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=1，解得V=2
故答案为：2；
④由图3可知，在250°C、1.3x10⁴kPa左右，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，且增大生成成本，得不偿失，故选择250°C、1.3x10⁴kPa左右，
故答案为：在1.3×10⁴Pa下，CO的转化率已较高，再增大压强，CO的转化率提高不大，生产成本却增加．

点评 本题考查化学平衡常数有关计算、化学平衡图象及影响因素、化学平衡状态判断、反应热计算，注意掌握化学平衡常数的应用，掌握三段式计算方法，难度中等．