Question

15．在一定溫度下的某容積可變的密閉容器中，建立下列化學平衡：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）．
試分析和回答下列問題：
（1）可認定上述可逆反應在一定條件下已達到化學平衡狀態的是BD（選填序號）．
A．體系的壓強不再發生變化
B．v_正（CO）=v_逆（H₂O）
C．生成n molCO的同時生成n mol H₂
D．1mol H-H鍵斷裂的同時斷裂2molH-O鍵
（2）若上述化學平衡狀態從正反應開始建立，達到平衡后，給平衡體系加壓（縮小容積、其它條件不變．下同），則容器內氣體的平均相對分子質量面將變大（填寫不變、變小、變大）．
（3）若上述化學平衡狀態從正、逆兩反應同時建立[即起始時同時投放C（s）、H₂O（g）、CO（g）、H₂（g）]，達到平衡后，試討論：
①容積內氣體混合物的平均相對分子質量$\overline{M}$的取值范圍是2＜$\overline{M}$＜28．
②若給平衡體系加壓，請參照起始投放的氣體物質的平均相對分子質量（設定為$\overline{M}$₁），分別給出$\overline{M}$的變化（請填寫條件和結論）：當$\overline{M}$₁＜12時，$\overline{M}$減小；當$\overline{M}$₁=12時，$\overline{M}$不變；當$\overline{M}$₁＞12時，$\overline{M}$增大．

Answer 1

分析 （1）根據化學平衡狀態的特征解答，當反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變；平衡移動的原理來分析解答；
（2）縮小平衡體積，平衡不移動，但是密度增大，平均摩爾質量變大；
（3）①可以看到只有三種是氣體，相對分子質量分別為H₂O（18），CO（28），H₂（2），混合之后，混合氣體的平均相對分子質量不應該大于最大的28，也不能小于最小的2，理解方法就是極限法，假設絕大多數氣體是H₂，只有一點點H₂O和CO，平均相對分子質量將會非常接近2；
②若給平衡體系加壓，參照起始投放的氣體物質的平均相對分子質量（設定為$\overline{M}$₁），分別給出$\overline{M}$的變化，
設反應平衡時候（加壓之前）H2O為a mol，CO為b mol，H2為c mol 加壓以后，平衡要向逆反應方向移動，設反應了x mol（x應該小于b，c中最小的那個）
達到新平衡后，三種物質的物質量為a+x b-x c-x 摩爾
根據平均相對分子質量的計算公式M₁$\frac{18a+28b+2c}{a+b+c}$，M=$\frac{18（a+x）+28（b-x）+2（c-x）}{a+x+b-x+c-x}$=$\frac{18a+28b+2c-12x}{a+b+c-x}$
很容易得到18a+28b+2c=M₁（a+b+c）
消去18a+28b+2c，得M=$\frac{{M}_{1}（a+b+c）-12x}{a+b+c-x}$=$\frac{（a+b+c-x）{M}_{1}+{M}_{1}x-12x}{a+b+c-x}$=M₁+$\frac{（{M}_{1}-12）x}{a+b+c-x}$
然后觀察這個式子，進行討論即可．

解答 解：（1）A．體系的壓強一直不發生變化，故A錯誤；            
B．v_正（CO）=v_正（H₂O）=v_逆（H₂O），故B正確；
C．生成n molCO的同時生成n mol H₂，未體現正與逆的關系，故C錯誤；　　　
D．1mol H-H鍵斷裂等效于，形成2mol H-O鍵，同時斷裂2mol H-O鍵，故D正確；故選：BD，
故答案為：BD；
（2）若上述化學平衡狀態從正反應開始建立，達到平衡后，給平衡體系加壓（縮小體積），C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），則加壓化學平衡逆向進行，氣體質量減小，氣體物質的量減小，但氣體物質的量減少的多，所以容器內氣體的平均相對分子質量將變大，
故答案為：變大；
（3）①可以看到只有三種是氣體，相對分子質量分別為H₂O（18），CO（28），H₂（2），混合之后，混合氣體的平均相對分子質量不應該大于最大的28，也不能小于最小的2，混合氣體中當相對分子質量最小的氫氣的實際質量無限大時，其他的反應物無限小就可以忽略不計了，但還是有的，相對分子質量是大于2而不是大于等于2，同理最大的相對分子質量最大的是小于28，2＜$\overline{M}$＜28，故答案為：2＜$\overline{M}$＜28；
②若給平衡體系加壓，參照起始投放的氣體物質的平均相對分子質量（設定為$\overline{M}$₁），分別給出$\overline{M}$的變化，
設反應平衡時候（加壓之前）H2O為a mol，CO為b mol，H2為c mol加壓以后，平衡要向逆反應方向移動，設反應了x mol（x應該小于b，c中最小的那個）
達到新平衡后，三種物質的物質量為a+x b-x c-x 摩爾
根據平均相對分子質量的計算公式M₁$\frac{18a+28b+2c}{a+b+c}$，M=$\frac{18（a+x）+28（b-x）+2（c-x）}{a+x+b-x+c-x}$=$\frac{18a+28b+2c-12x}{a+b+c-x}$
很容易得到18a+28b+2c=M₁（a+b+c）
消去18a+28b+2c，得M=$\frac{{M}_{1}（a+b+c）-12x}{a+b+c-x}$=$\frac{（a+b+c-x）{M}_{1}+{M}_{1}x-12x}{a+b+c-x}$=M₁+$\frac{（{M}_{1}-12）x}{a+b+c-x}$
然后觀察這個式子，進行討論即可．
當M₁＜12時，后面的分式為負，平均相對分子質量變小
當M₁=12時，M=M₁，平均相對分子質量不變
當M₁＞12時，后面的分式為正，平均相對分子質量變大
當$\overline{M}$₁＜12時，$\overline{M}$減小；當$\overline{M}$₁=12時，$\overline{M}$不變；當$\overline{M}$₁＞12時，$\overline{M}$增大．
故答案為：當$\overline{M}$₁＜12時，$\overline{M}$減小；當$\overline{M}$₁=12時，$\overline{M}$不變；當$\overline{M}$₁＞12時，$\overline{M}$增大．

點評 本題考查了化學平衡狀態的判斷和化學平衡的移動，題目難度中等，注意當反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，但不為0，平均相對分子質量隨平衡變化的特征分析判斷，掌握基礎是解題關鍵．