Question

5．工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣，其生產(chǎn)流程如圖1：
（1）此流程的第II步反應(yīng)為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如下表：

溫度/℃	400	500	830
平衡常數(shù)K	10	9	1

從上表可以推斷：此反應(yīng)是放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)．在830℃下，若開始時(shí)向恒容密閉容器中充入1mo1CO和2mo1H₂O，則達(dá)到平衡后CO的轉(zhuǎn)化率為66.7%．
（2）在500℃，按照下表的物質(zhì)的量（按照CO、H₂O、H₂、CO₂的順序）投入恒容密閉容器中進(jìn)行上述第II步反應(yīng)，達(dá)到平衡后下列關(guān)系正確的是AD．

實(shí)驗(yàn)編號	反應(yīng)物投入量	平衡時(shí)H2濃度	吸收或放出的熱量	反應(yīng)物轉(zhuǎn)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=c₃     B．2Q₁=Q₂=Q₃      C．α₁=α₂=α₃        D．α₁+α₂=1
（3）在一個(gè)絕熱等容容器中，不能判斷此流程的第II步反應(yīng)達(dá)到平衡的是②③．
①v（CO₂）_正=v（H₂O）_逆                  ②混合氣體的密度不變
③混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變④各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變
⑤體系的溫度不再發(fā)生變化
（4）如圖表示此流程的第II步反應(yīng)，在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡、在t₂時(shí)刻因改變某個(gè)條件使?jié)舛劝l(fā)生變化的情況：圖中t₂時(shí)刻發(fā)生改變的條件是降低溫度、增加水蒸氣的量（寫出兩種）．若t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍，在圖中t₄和t₅區(qū)間內(nèi)畫出CO、CO₂濃度變化曲線，并標(biāo)明物質(zhì)（假設(shè)各物質(zhì)狀態(tài)均保持不變）．

Answer 1

分析 （1）升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，根據(jù)溫度與化學(xué)平衡常數(shù)關(guān)系確定反應(yīng)熱；根據(jù)化學(xué)平衡計(jì)算計(jì)算CO的轉(zhuǎn)化率；
（2）各物質(zhì)起始物質(zhì)的量均為1：1等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，結(jié)合方程式可知，故平衡時(shí)n（CO）=n（H₂O）、n（CO₂）=n（H₂），由于500℃時(shí)平衡常數(shù)K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=9可知，平衡時(shí)n（CO₂）≠n（CO），則轉(zhuǎn)化率不是50%；
B中轉(zhuǎn)化到左邊可以得到2molCO、2molH₂O，恒溫恒容下B、C是完全等效平衡，平衡時(shí)相同物質(zhì)的濃度相同、物質(zhì)的量相同；
恒溫恒容下，C等效為在A的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng)，反應(yīng)前后氣體體積不變，平衡不移動，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率相等、相同物質(zhì)的含量相等；
（3）不傳熱的固定容積的容器中，反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各成分含量保持不變分析判斷選項(xiàng)；
（4）在t₂時(shí)刻CO的濃度減小、CO₂濃度增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，可以通過改變溫度、改變水蒸氣或氫氣的量實(shí)現(xiàn)；t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍則體積變?yōu)樵瓉淼囊话耄�故濃度分別增大為原來的2倍，又反應(yīng)前后氣體系數(shù)相等，平衡不移動．

解答 解：（1）隨著溫度的升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小，說明平衡向逆反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
設(shè)CO的轉(zhuǎn)化率為x，
      CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始    1mol   2mol    0       0
反應(yīng)    x       x      x      x
平衡（1-x）mol （2-x）mol xmol  xmol
化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{x×x}{（1-x）×（2-x）}$=1，x=66.7%；
故答案：放；66.7%；
（2）各物質(zhì)起始物質(zhì)的量均為1：1等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，結(jié)合方程式可知，故平衡時(shí)n（CO）=n（H₂O）、n（CO₂）=n（H₂），由于500℃時(shí)平衡常數(shù)K═$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=9可知，平衡時(shí)n（CO₂）≠n（CO），則轉(zhuǎn)化率不是50%；
B中轉(zhuǎn)化到左邊可以得到2molCO、2molH₂O，恒溫恒容下B、C是完全等效平衡，平衡時(shí)相同物質(zhì)的濃度相同、物質(zhì)的量相同，則：c₂=c₃，B、C平衡時(shí)n（CO₂）≠n（CO），轉(zhuǎn)化率不是50%，故Q₂≠Q(mào)₃，設(shè)平衡時(shí)CO為ymol，則α₃=$\frac{y}{2}$，α₂=$\frac{2-y}{2}$，故α₃+α₂=1，可推知α₃≠α₂；
恒溫恒容下，C等效為在A的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng)，反應(yīng)前后氣體體積不變，平衡不移動，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率相等、相同物質(zhì)的含量相等，則：α₁=α₃，c₃=2c₁，Q₃=2Q₁，
結(jié)合上述分析可知：2c₁=c₂=c₃ ，Q₃=2Q₁≠Q(mào)₂=Q₃ ，α₁=α₃≠α₂ ，α₁+α₂=1，
故選：AD；
（3）在一個(gè)絕熱等容的容器中，判斷此流程的第Ⅱ步反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），達(dá)到平衡的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同；各組分含量保持不變；
①雖然反應(yīng)前后氣體體積不變，但由于絕熱等容容器中反應(yīng)過程中有溫度變化，所以壓強(qiáng)也在變化，體系的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化能判斷反應(yīng)達(dá)到平衡，故①符合；
②反應(yīng)中混合氣體質(zhì)量守恒，體積不變，密度不變，混合氣體的密度不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故②不符合；
③反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒，反應(yīng)前后氣體體積不變，物質(zhì)的量不變，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故③不符合；
④各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變是平衡的標(biāo)志，故④符合；
⑤體系的溫度不再發(fā)生變化絕熱容器溫度不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故⑤符合；
⑥反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比，v（CO₂）_正=v（H₂O）_逆，說明水蒸氣的正逆反應(yīng)速率相同，故⑥符合；
故答案為：②③；
（4）在t₂時(shí)刻CO的濃度減小、CO₂濃度增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，且CO和CO₂濃度變化有接觸點(diǎn)，所以可以通過改變降低溫度、增大水蒸氣的量或減少氫氣的量實(shí)現(xiàn)；t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍，則體積變?yōu)樵瓉淼囊话耄�故濃度分別增大為原來的2倍，又反應(yīng)前后氣體系數(shù)相等，平衡不移動，所以圖象僅僅是濃度分別變?yōu)樵瓉淼?倍并且保持不變，如圖為，故答案為：降低溫度；增加水蒸氣的量；
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點(diǎn)評 本題考查了化學(xué)平衡移動原理，明確化學(xué)平衡常數(shù)的含義結(jié)合化學(xué)平衡常數(shù)公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，靈活運(yùn)用三段式法進(jìn)行解答，會分析圖象中曲線變化特點(diǎn)，題目難度很大．