Question

20．已知CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）反應的平衡常數和溫度的關系如下：

溫度/℃	700	800	830	1000	1200
平衡常數	1.7	1.1	1.0	0.6	0.4

回答下列問題：
（1）該反應的△H＜0（填“＜”“＞”“=”）；
（2）830℃時，向一個5L的密閉容器中充入0.20mol的CO和0.80mol的H₂O，反應初始6s內CO的平均反應速率v（CO）=0.003mol•L^-1•s^-1，則6s末CO₂的物質的量濃度為0.018mol/L；反應達到平衡后CO的轉化率為80%；
（3）判斷該反應是否達到平衡狀態的依據為cd（填正確選項前的字母）；
a．壓強不隨時間改變           b．氣體的密度不隨時間改變
c．c（CO）不隨時間改變           d．單位時間里生成CO和H₂的物質的量相等
（4）已知1000℃時，要使CO的轉化率超過90%，則起始時c（H₂O）：c（CO）應不低于14.4；
（5）某燃料電池以CO為燃料，以空氣為氧化劑，以熔融態的K₂CO₃為電解質，請寫出該燃料電池正極的電極反應式O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-；
（6）已知CO可用于制備很多物質：
2CO（g）+SO₂（g）═S（g）+2CO₂（g）△H=+18.0kJ•mol^-1
2H₂（g）+SO₂（g）═S（g）+2H₂O（g）△H=+90.4kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-556.0kJ•mol^-1
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
請寫出S（g）與O₂（g）反應生成SO₂（g）熱化學方程式S（g）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-574.0kJmol^-1．

Answer 1

分析 （1）溫度越高平衡常數越小，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應為放熱反應；
（2）根據△c=v×△t計算△c（CO），由方程式可知△c（CO₂）=△c（CO）；
設平衡時轉化的CO為xmol，表示出平衡時各組分物質的量，再根據平衡常數K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=1列方程計算解答；
（3）可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不變化說明到達平衡；
（4）CO與H₂O按物質的量1：1反應，當二者起始物質的量為1：1時，二者轉化率相等，1000℃時要使CO的轉化率超過90%，則應增大水的物質的量，設起始時加入1molCO、ymolH₂O，CO轉化率為90%時，轉化的CO為0.9mol，表示出平衡時各組分物質的量，再根據K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=0.6列方程計算y，實際c（H₂O）：c（CO）大于y；
（5）原電池之間反應氧化反應，氧氣在正極獲得電子，電池是以熔融碳酸鹽為電解質，應與生成的二氧化碳結合生成碳酸根離子；
（6）已知：①2CO（g）+SO₂（g）═S（g）+2CO₂（g）△H=+18.0kJ•mol^-1
②2H₂（g）+SO₂（g）═S（g）+2H₂O（g）△H=+90.4kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-556.0kJ•mol^-1
④2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
根據蓋斯定律：（③+④-①-②）÷2可得：S（g）+O₂（g）=SO₂（g）．

解答 解：（1）溫度越高平衡常數越小，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應為放熱反應，故△H＜0，
故答案為：＜；
（2）反應初始6s內A的平均反應速率v（CO）=0.003mol•L^-1•s^-1，則6s內c（CO₂）=△c（CO）=0.003mol•L^-1•s^-1×6s=0.018mol/L，
設平衡時轉化的CO為xmol，則：
           CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
開始（mol）：0.2    0.8      0       0
變化（mol）：x       x       x       x
平衡（mol）：0.2-x   0.8-x   x       x
反應前后氣體體積不變，用物質的量代替濃度計算平衡常數，故K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{x×x}{（0.2-x）×（0.8-x）}$=1，解得x=0.16，故CO轉化率為$\frac{0.16mol}{0.2mol}$×100%=80%，
故答案為：0.018mol/L；80%；
（3）a．該反應前后氣體的物質的量不變，壓強始終不變，故壓強不隨時間改變，不能說明到達平衡，故a錯誤，
b．混合氣體的總質量不變，容器的容積不變，故混合氣體的密度始終不變，故氣體的密度不隨時間改變，不能說明到達平衡，故b錯誤，
c．可逆反應到達平衡時，各組分的濃度不發生變化，故c（CO）不隨時間改變，說明到達平衡，故c正確，
d．單位時間里生成CO和H₂的物質的量相等，CO的生成速率與消耗速率相等，說明到達平衡，故d正確，
故答案為：cd；
（4）CO與H₂O按物質的量1：1反應，當二者起始物質的量為1：1時，二者轉化率相等，1000℃時要使CO的轉化率超過90%，則應增大水的物質的量，設起始時加入1molCO、ymolH₂O，CO轉化率為90%時，轉化的CO為0.9mol，則：
         CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始（mol）：1     y　　　  0　　　0
轉化（mol）：0.9   0.9     0.9 　 0.9
平衡（mol）：0.1 　 y-0.9　 0.9   0.9
故K=$\frac{0.9×0.9}{0.1×（y-0.9）}$=0.6，解得=14.4，故實際c（H₂O）：c（CO）應大于14.4，
故答案為：14.4；
（5）原電池之間反應氧化反應，氧氣在正極獲得電子，電池是以熔融碳酸鹽為電解質，應與生成的二氧化碳結合生成碳酸根離子，所以正極電極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，
故答案為：O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-；
（6）已知：①2CO（g）+SO₂（g）═S（g）+2CO₂（g）△H=+18.0kJ•mol^-1
②2H₂（g）+SO₂（g）═S（g）+2H₂O（g）△H=+90.4kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-556.0kJ•mol^-1
④2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-483.6kJ•mol^-1
根據蓋斯定律：（③+④-①-②）÷2可得：S（g）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-574.0kJmol^-1，
故答案為：S（g）+O₂（g）=SO₂（g）△H=-574.0kJmol^-1．

點評 本題考查化學平衡計算、平衡狀態判斷、平衡常數、蓋斯定律應用等，注意判斷平衡的物理量，隨著反應的進行發生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態