Question

1．工业上和净化后的水煤气在催化剂作用下，与水蒸气发生反应制取氢气，化学方程式为：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）．一定条件下，将4molCO与2molH₂O（g）充入体积为2L的密闭容器中，体系中各物质的深度随时间变化如图所示：
（1）在0～4min时段，反应速率v（H₂O）为0.2mol•min-1，该条件下反应的平衡常数K为2.7（保留两位有效数字）．
（2）该反应到4min时，CO的转化率为40%．
（3）若6min时改变的外部条件为升温，则该反应的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”），此时反应的平衡常数减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（4）判断该反应达到化学平衡状态的依据是b．
a．混合气体的密度不变       
b．混合气体中c（CO）不变
c．v（H₂O）_正=v（H₂）_正       
d．断裂2molH-O键的同时生成1molH-H键
（5）若保持与4min时相同的温度，向一容积可变的密闭容器中同时充入0.5molCO、1.5molH₂O（g）、0.5molCO₂和amolH₂，则当a=2.5时，上述反应向正反应（填“正反应”或“逆反应”）方向进行．若要使上述反应开始时向逆反应进行，则a的取值范围为a＞4.05．

Answer 1

分析 （1）图象分析可知4min反应达到平衡状态，物质浓度为c（CO）=1.2mol/L，c（H₂）=0.8mol/L，c（H₂O）=0.2mol/L，结合化学平衡三段式列式计算平衡浓度，反应速率V=$\frac{△c}{△t}$，平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（2）依据（1）的计算结果得到转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
（3）若6min时改变的外部条件为升温，图象可知氢气浓度减小，一氧化碳和水的浓度增大，说明平衡逆向进行，依据化学平衡移动原理分析；
（4）平衡标志是正逆反应速率相同，各组分含量保持不变，反应过程中“变量不变”分析选项；
（5）计算浓度商和平衡常数比较大小分析判断反应进行的方向，浓度商大于平衡常数正向进行，小于平衡常数逆向进行；

解答 解：（1）图象分析可知4min反应达到平衡状态，物质浓度为c（CO）=1.2mol/L，c（H₂）=0.8mol/L，c（H₂O）=0.2mol/L，结合化学平衡三段式列式计算平衡浓度，
                 CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）  2        1         0      0
变化量（mol/L）  0.8      0.8      0.8     0.8
平衡量（mol/L）  1.2      0.2      0.8     0.8

在0～4min时段，反应速率v（H₂O）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.8mol/L}{4min}$=0.2mol/（L•min），
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.7；
故答案为：0.2mol/（L•min）；2.7；
（2）该反应到4min时，CO的转化率=$\frac{0.8mol/L}{2mol/L}$×100%=40%；
故答案为：40%；
（3）若6min时改变的外部条件为升温，图象可知氢气浓度减小，一氧化碳和水的浓度增大，说明平衡逆向进行，逆向为吸热反应，正反应为放热反应，则该反应的△H＜0，此时平衡逆向进行，平衡常数减小；
故答案为：＜，减小；
（4）上述分析可知，反应CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）是气体体积不变的放热反应
a．反应前后气体质量和体积不变，混合气体的密度始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故a错误；       
b．混合气体中c（CO）不变是平衡的标志，故b正确；
c．v（H₂O）正=v（H₂）正，反应速率之比等于化学方程式计量数之比，为正反应速率之比，只能说明反应正向进行，不能证明正逆反应速率相同，故c错误；   
d．断裂2molH-O键的同时生成1molH-H键，说明反应正向进行，不能这么说明正逆反应速率相同，故d错误；
故答案为：b；
（5）若保持与4min时相同的温度，向一容积可变的密闭容器中同时充入0.5molCO、1.5molH₂O（g）、0.5molCO₂和amolH₂，则当a=2.5时，Q=$\frac{2.5×0.5}{0.5×1.5}$=1.7＜K=2.7，说明反应正向进行；若要使上述反应开始时向逆反应进行，Q=$\frac{a×0.5}{0.5×1.5}$＞2.7，则a的取值范围为a＞4.05；
故答案为：正反应；a＞4.05．

点评 本题考查了化学平衡的分析应用，主要是图象分析，平衡常数、反应速率的概念计算应用，注意一下化学平衡的因素分析判断，掌握基础是解题关键，题目难度中等．