Question

20．低碳經(jīng)濟(jì)呼喚新能源和清潔環(huán)保能源．煤化工中常需研究不同溫度下的平衡常數(shù)、投料比及熱值等問題． 已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表：

溫度/℃	400	427	700	800
平衡常數(shù)	9.94	9	b	0.64

請回答下列問題：
（1）上述正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)（填“放熱”或“吸熱”）．
（2）850℃時(shí)在體積為10L反應(yīng)器中，通入一定量的CO和H₂O（g）發(fā)生上述反應(yīng)，CO和H₂O（g）濃度變化如圖1，則0～4min的平均反應(yīng)速率v（CO）=0.03mol/（L•min）
t₁℃時(shí)物質(zhì)濃度（mol/L）的變化

時(shí)間（min）	CO	H2O	CO2	H2
0	0.200	0.300	0	0
2	0.138	0.238	0.062	0.062
3	c1	c2	c3	c3[m]
4	c1	c2	c3	c3
5	0.116	0.216	0.084
6	0.096	0.266	0.104

（3）若在850℃進(jìn)行，設(shè)起始時(shí)CO和H₂O（g）共為5mol，水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為X；平衡時(shí)CO轉(zhuǎn)化率為Y，試推導(dǎo)Y隨X變化的函數(shù)關(guān)系式為X=Y
（4）t₁（℃高于850）℃時(shí)，在相同容器中發(fā)生上述反應(yīng)，容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度變化如表．
①表中3min～4min之間反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；理由是反應(yīng)在3min和4min時(shí)的各物質(zhì)濃度相同．
②表中5min～6min之間數(shù)值發(fā)生變化，可能的原因是A（單選）．
A．增加水蒸氣         B．降低溫度       C．使用催化劑         D．增加氫氣濃度
（5）若在500℃時(shí)進(jìn)行，若CO、H₂O的起始濃度均為0.020mol/L，在該條件下，CO的最大轉(zhuǎn)化率為75%．
（6）若在500℃時(shí)該反應(yīng)達(dá)到了平衡狀態(tài)，此時(shí)體系中的v-t圖象如圖2所示，若在t₁時(shí)給體系適當(dāng)升高溫度，則v-t圖象也會(huì)隨之發(fā)生變化，請把v-t圖補(bǔ)充畫全（需標(biāo)明正方向的反應(yīng)速率和逆方向的反應(yīng)速率）．

Answer 1

分析 （1）由表可知，溫度越高，平衡常數(shù)越小，反應(yīng)進(jìn)行程度越小，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)；
（2）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算反應(yīng)速率；
（3）起始時(shí)水的物質(zhì)的量為5Xmol，CO的物質(zhì)的量為 5（1-X）mol，利用三段式法求出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，代入800℃平衡常數(shù)，據(jù)此解答；
（4）根據(jù)濃度、壓強(qiáng)、溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響分析．
（5）到達(dá)平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率最大，令平衡時(shí)CO的濃度變化量為cmol/L，根據(jù)三段式法用c表示出平衡時(shí)各組分個(gè)濃度，再利用平衡常數(shù)列方程，求出c，再利用轉(zhuǎn)化率定義計(jì)算；
（6）反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向進(jìn)行，逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率，最后達(dá)到新的平衡，據(jù)此畫出圖象曲線；

解答 解：（1）由表可知，溫度越高，平衡常數(shù)越小，反應(yīng)進(jìn)行程度越小，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱方向移動(dòng)，故正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故答案為：放熱；
（2）v（CO）=$\frac{0.2mol/L-0.08mol/L}{4min}$=0.03mol/（L•min），故答案為：0.03mol/（L•min）；
（3）因800℃時(shí)反應(yīng)平衡常數(shù)為1．起始時(shí)水的物質(zhì)的量為5Xmol，CO的物質(zhì)的量為 5（1-X）mol，則
               CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始：5（1-X）        5X          0         0
轉(zhuǎn)化：5（1-X）Y   5（1-X）Y       5（1-X）Y  5（1-X）Y
平衡：5（1-X）（1-Y） 5（X-Y+XY） 5（1-X）Y  5（1-X）Y
所以平衡常數(shù)k=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{5（1-x）y×（1-x）y}{5（1-x）（1-y）×5（x-y+xy）}$=1，解得Y=X，故答案為：Y=X；
（4）①在高于850℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)速率加快，一定在4min前達(dá)到化學(xué)平衡．另外從表中可看出反應(yīng)在3min和4min時(shí)的各物質(zhì)濃度相同，故3min-4min之間反應(yīng)應(yīng)處于平衡狀態(tài)；
故答案為：平衡，反應(yīng)在3min和4min時(shí)的各物質(zhì)濃度相同；
②表中5min-6min之間CO濃度減少，H₂O濃度增大，CO₂濃度增大，只有增加水蒸氣，使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，故選A，故答案為：A；
（5）設(shè)CO的濃度變化量為c，則
        CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始：0.02     0.020      0        0
轉(zhuǎn)化：c         c        c        c
平衡：0.02-c    0.02-c    c        c
代入500℃時(shí)反應(yīng)平衡常數(shù)有k=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{{c}^{2}}{（0.02-c）^{2}}$=9，解得c=0.015，
CO的最大所以轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.015}{0.2}$×100%=75%，故答案為：75%；
（6）反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向進(jìn)行，逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率，最后達(dá)到新的平衡，據(jù) 此畫出圖象曲線為：，

故答案為：；

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查反應(yīng)速率的計(jì)算、平衡移動(dòng)的影響因素、平衡常數(shù)的計(jì)算，難度較大，要注意平衡常數(shù)只受溫度的影響．