Question

12．TK、1MPa 條件下時，在容積可變的密閉容器中充入1molCO₂和3molH₂存在如下反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=a kJ/mol．達平衡時，H₂的體積分數為30%．
（1）CO₂的轉化率為75%
（2）已知氣體分壓=物質的量分數×總壓，則用分壓表示K=$\frac{100}{3}$
（3）將上述平衡體系轉移至T₁ K（高于1000K），體積為1L的恒容容器中，并加入0.3molFe．重新達平衡時，n（H₂）=1mol．則此時K=1.6．

Answer 1

分析 （1）同一容器中，各物質的體積分數之比等于物質的量之比，所以達到平衡時氫氣的體積分數也是其物質的量分數為30%，
設參加反應的二氧化碳物質的量為xmol，
     CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始 1mol    3mol      0         0
反應 xmol    3xmol     xmol      xmol
平衡（1-x）mol 3（1-x）mol xmol    xmol
氫氣物質的量分數=$\frac{3（1-x）mol}{（1-x）mol+3（1-x）mol+xmol+xmol}$×100%=30%，x=0.75，
二氧化碳轉化率=$\frac{參加反應的二氧化碳物質的量}{二氧化碳總物質的量}$×100%；
（2）氣體分壓=物質的量分數×總壓，則用分壓表示K=生成物物質的量冪之積與反應物物質的量冪之積的比，P（CH₃OH）=P（H₂O）=1×$\frac{\frac{3}{4}}{\frac{5}{2}}$=0.3，P（CO₂）=$\frac{1-\frac{3}{4}}{\frac{5}{2}}$×1=0.1、P（H₂）=3P（CO₂）=0.3；
（3）根據3Fe（s）+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄（s）+4H₂（g）知，0.3molFe完全反應消耗0.4molH₂O、生成0.4molH₂，如果CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）不發生反應，則平衡體系氫氣物質的量=0.75mol+0.4mol=1.15mol，實際上平衡時n（H₂）=1mol，則有0.15mol的氫氣發生反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始0.25mol 0.75mol 0.75mol  0.75mol
反應0.05mol 0.15mol 0.05mol  0.05mol
平衡0.2mol  1mol    0.8mol   （0.75+0.05-0.4）mol
根據化學平衡常數公式計算該溫度下平衡常數．

解答 解：（1）同一容器中，各物質的體積分數之比等于物質的量之比，所以達到平衡時氫氣的體積分數也是其物質的量分數為30%，
設參加反應的二氧化碳物質的量為xmol，
    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始 1mol    3mol         0       0
反應 xmol    3xmol        xmol    xmol
平衡（1-x）mol 3（1-x）mol xmol    xmol
氫氣物質的量分數=$\frac{3（1-x）mol}{（1-x）mol+3（1-x）mol+xmol+xmol}$×100%=30%，x=0.75，
二氧化碳轉化率=$\frac{參加反應的二氧化碳物質的量}{二氧化碳總物質的量}$×100%=$\frac{0.75mol}{1mol}×100%$=75%，
故答案為：75%；
（2）氣體分壓=物質的量分數×總壓，則用分壓表示K=生成物物質的量冪之積與反應物物質的量冪之積的比，P（CH₃OH）=P（H₂O）=1×$\frac{\frac{3}{4}}{\frac{5}{2}}$=0.3，P（CO₂）=$\frac{1-\frac{3}{4}}{\frac{5}{2}}$×1=0.1、P（H₂）=3P（CO₂）=0.3；
則用分壓表示K=$\frac{0.1×0.1}{0.1×0．{3}^{3}}$=$\frac{100}{3}$，
故答案為：$\frac{100}{3}$；
（3）根據3Fe（s）+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄（s）+4H₂（g）知，0.3molFe完全反應消耗0.4molH₂O、生成0.4molH₂，如果CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）不發生反應，則平衡體系氫氣物質的量=0.75mol+0.4mol=1.15mol，實際上平衡時n（H₂）=1mol，則有0.15mol的氫氣發生反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始 0.25mol 0.75mol 0.75mol  0.75mol
反應 0.05mol 0.15mol 0.05mol  0.05mol
平衡 0.2mol  1mol    0.8mol   （0.75+0.05-0.4）mol
化學平衡常數K=$\frac{0.8×0.4}{0.2×{1}^{3}}$=1.6，
故答案為：1.6．

點評 本題考查化學平衡計算，為高頻考點，明確化學平衡常數計算方法是解本題關鍵，注意三段式的靈活運用，難點是（3）題計算，要注意鐵發生的反應，題目難度中等．