Question

1．工業上和凈化后的水煤氣在催化劑作用下，與水蒸氣發生反應制取氫氣，化學方程式為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）．一定條件下，將4molCO與2molH₂O（g）充入體積為2L的密閉容器中，體系中各物質的深度隨時間變化如圖所示：
（1）在0～4min時段，反應速率v（H₂O）為0.2mol•min-1，該條件下反應的平衡常數K為2.7（保留兩位有效數字）．
（2）該反應到4min時，CO的轉化率為40%．
（3）若6min時改變的外部條件為升溫，則該反應的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”），此時反應的平衡常數減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（4）判斷該反應達到化學平衡狀態的依據是b．
a．混合氣體的密度不變       
b．混合氣體中c（CO）不變
c．v（H₂O）_正=v（H₂）_正       
d．斷裂2molH-O鍵的同時生成1molH-H鍵
（5）若保持與4min時相同的溫度，向一容積可變的密閉容器中同時充入0.5molCO、1.5molH₂O（g）、0.5molCO₂和amolH₂，則當a=2.5時，上述反應向正反應（填“正反應”或“逆反應”）方向進行．若要使上述反應開始時向逆反應進行，則a的取值范圍為a＞4.05．

Answer 1

分析 （1）圖象分析可知4min反應達到平衡狀態，物質濃度為c（CO）=1.2mol/L，c（H₂）=0.8mol/L，c（H₂O）=0.2mol/L，結合化學平衡三段式列式計算平衡濃度，反應速率V=$\frac{△c}{△t}$，平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
（2）依據（1）的計算結果得到轉化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%；
（3）若6min時改變的外部條件為升溫，圖象可知氫氣濃度減小，一氧化碳和水的濃度增大，說明平衡逆向進行，依據化學平衡移動原理分析；
（4）平衡標志是正逆反應速率相同，各組分含量保持不變，反應過程中“變量不變”分析選項；
（5）計算濃度商和平衡常數比較大小分析判斷反應進行的方向，濃度商大于平衡常數正向進行，小于平衡常數逆向進行；

解答 解：（1）圖象分析可知4min反應達到平衡狀態，物質濃度為c（CO）=1.2mol/L，c（H₂）=0.8mol/L，c（H₂O）=0.2mol/L，結合化學平衡三段式列式計算平衡濃度，
                 CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）  2        1         0      0
變化量（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時段，反應速率v（H₂O）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.8mol/L}{4min}$=0.2mol/（L•min），
平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.7；
故答案為：0.2mol/（L•min）；2.7；
（2）該反應到4min時，CO的轉化率=$\frac{0.8mol/L}{2mol/L}$×100%=40%；
故答案為：40%；
（3）若6min時改變的外部條件為升溫，圖象可知氫氣濃度減小，一氧化碳和水的濃度增大，說明平衡逆向進行，逆向為吸熱反應，正反應為放熱反應，則該反應的△H＜0，此時平衡逆向進行，平衡常數減小；
故答案為：＜，減小；
（4）上述分析可知，反應CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）是氣體體積不變的放熱反應
a．反應前后氣體質量和體積不變，混合氣體的密度始終不變，不能說明反應達到平衡狀態，故a錯誤；       
b．混合氣體中c（CO）不變是平衡的標志，故b正確；
c．v（H₂O）正=v（H₂）正，反應速率之比等于化學方程式計量數之比，為正反應速率之比，只能說明反應正向進行，不能證明正逆反應速率相同，故c錯誤；   
d．斷裂2molH-O鍵的同時生成1molH-H鍵，說明反應正向進行，不能這么說明正逆反應速率相同，故d錯誤；
故答案為：b；
（5）若保持與4min時相同的溫度，向一容積可變的密閉容器中同時充入0.5molCO、1.5molH₂O（g）、0.5molCO₂和amolH₂，則當a=2.5時，Q=$\frac{2.5×0.5}{0.5×1.5}$=1.7＜K=2.7，說明反應正向進行；若要使上述反應開始時向逆反應進行，Q=$\frac{a×0.5}{0.5×1.5}$＞2.7，則a的取值范圍為a＞4.05；
故答案為：正反應；a＞4.05．

點評 本題考查了化學平衡的分析應用，主要是圖象分析，平衡常數、反應速率的概念計算應用，注意一下化學平衡的因素分析判斷，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．