Question

2．工廠使用石油熱裂解的副產(chǎn)物甲烷來制取氫氣，其生產(chǎn)流程如圖1：
（1）此流程的第Ⅱ步反應(yīng)為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表：

溫度/℃	400	500	830
平衡常數(shù)K	10	9	1

從表可以推斷：此反應(yīng)是放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)．400℃時(shí)，H₂濃度為2mol/L，CO₂濃度為1.5mol/L，H₂O濃度為3mol/L，CO濃度為1mol/L，則下一時(shí)刻，反應(yīng)向正向（填”正向”或”逆向”）進(jìn)行．
（2）在500℃，以下表的物質(zhì)的量（按照CO、H₂O、H₂、CO₂的順序）投入恒容密閉容器中進(jìn)行上述第Ⅱ步反應(yīng)，達(dá)到平衡后下列關(guān)系正確的是AD．

實(shí)驗(yàn)編號	反應(yīng)物投入量	平衡時(shí)H2濃度	吸收或放出的熱量	反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率
A	1、1、0、0	c1	Q1	α1
B	0、0、2、2	c2	Q2	α2
C	2、2、0、0	c3	Q3	α3

A．2c₁=c₂=c₃ B．2Q₁=Q₂=Q₃ C．α₁=α₂=α₃ D．α₁+α₂=1
（3）在一個(gè)絕熱等容容器中，不能判斷此流程的第Ⅱ步反應(yīng)達(dá)到平衡的是②③．
①體系的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化           ②混合氣體的密度不變
③混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變   ④各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變
⑤體系的溫度不再發(fā)生變化           ⑥v（CO₂）_正=v（H₂O）_逆
（4）如圖2表示此流程的第Ⅱ步反應(yīng)，在t₁時(shí)刻達(dá)到平衡、在t₂時(shí)刻因改變某個(gè)條件濃度發(fā)生變化的情況：圖中t₂時(shí)刻發(fā)生改變的條件是降低溫度、增加水蒸汽的量（或減少氫氣的量）（寫出兩種）．若t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍，在圖中t₄和t₅區(qū)間內(nèi)畫出CO、CO₂濃度變化曲線，并標(biāo)明物質(zhì)（假設(shè)各物質(zhì)狀態(tài)均保持不變）．

Answer 1

分析 （1）升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)溫度與化學(xué)平衡常數(shù)關(guān)系確定反應(yīng)熱；根據(jù)Qc和K的關(guān)系判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向；
（2）A．B、C是完全等效平衡，平衡時(shí)各組分的濃度相等，根據(jù)投料情況確定濃度關(guān)系；
B．B、C相比，建立的平衡的方向是不一樣的；
C．根據(jù)等效原理，不同的投料，建立的平衡狀態(tài)下，比較反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；
D．根據(jù)等效平衡原理以及平衡的建立方向確定轉(zhuǎn)化率關(guān)系；
（3）不傳熱的固定容積的容器中，反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各成分含量保持不變分析判斷選項(xiàng)；
（4）在t₂時(shí)刻CO的濃度減小、CO₂濃度增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，可以通過改變溫度、改變水蒸氣或氫氣的量實(shí)現(xiàn)；t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍則體積變?yōu)樵瓉淼囊话�，故濃度分別增大為原來的2倍，又反應(yīng)前后氣體系數(shù)相等，平衡不移動(dòng)．

解答 解：（1）隨著溫度的升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小，說明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；400℃時(shí)，H₂濃度為2mol/L，CO₂濃度為1.5mol/L，H₂O濃度為3mol/L，CO濃度為1mol/L，則Qc=$\frac{1.5×2}{3×1}$=1＜K，所以正向移動(dòng)，
故答案：放熱；正向；
（2）A．B、C是完全等效平衡，平衡時(shí)各組分的濃度相等，所以平衡時(shí)氫氣的濃度c₃=c₂，但是A的投料量是B、C的2倍，達(dá)到平衡時(shí)，氫氣的濃度是B（C）的2倍，即2c₁=c₂=c₃，故A正確；
B．B、C相比，建立的平衡的方向是不一樣的，2Q₁＜Q₂=Q₃，故B錯(cuò)誤；
C．根據(jù)等效原理，不同的投料，建立的平衡狀態(tài)下，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率α₁=α₃≠α₂，故C錯(cuò)誤；
D．平衡時(shí)對應(yīng)各組分的含量完全相同，CO的轉(zhuǎn)化率為α₁，則平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為（1-α₁）mol，B中平衡時(shí)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為α₂，平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量為α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故D正確；
故答案為：AD；
（3）在一個(gè)絕熱等容的容器中，判斷此流程的第Ⅱ步反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），達(dá)到平衡的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同；各組分含量保持不變；
①雖然反應(yīng)前后氣體體積不變，但由于絕熱等容容器中反應(yīng)過程中有溫度變化，所以壓強(qiáng)也在變化，體系的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化能判斷反應(yīng)達(dá)到平衡，故①符合；
②反應(yīng)中混合氣體質(zhì)量守恒，體積不變，密度不變，混合氣體的密度不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故②不符合；
③反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒，反應(yīng)前后氣體體積不變，物質(zhì)的量不變，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故③不符合；
④各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變是平衡的標(biāo)志，故④符合；
⑤體系的溫度不再發(fā)生變化絕熱容器溫度不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故⑤符合；
⑥反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比，v（CO₂）_正=v（H₂O）_逆，說明水蒸氣的正逆反應(yīng)速率相同，故⑥符合；
故答案為：②③；
（3）在t₂時(shí)刻CO的濃度減小、CO₂濃度增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，且CO和CO₂濃度變化有接觸點(diǎn)，所以可以通過改變降低溫度、增大水蒸氣的量或減少氫氣的量實(shí)現(xiàn)；t₄時(shí)刻通過改變?nèi)莘e的方法將壓強(qiáng)增大為原先的兩倍，則體積變?yōu)樵瓉淼囊话�，故濃度分別增大為原來的2倍，又反應(yīng)前后氣體系數(shù)相等，平衡不移動(dòng)，所以圖象僅僅是濃度分別變?yōu)樵瓉淼?倍并且保持不變，如圖為，故答案為：降低溫度；增加水蒸氣的量（或減少氫氣的量）．

點(diǎn)評 本題考查了化學(xué)平衡移動(dòng)原理，明確化學(xué)平衡常數(shù)的含義結(jié)合化學(xué)平衡常數(shù)公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，靈活運(yùn)用三段式法進(jìn)行解答，會(huì)分析圖象中曲線變化特點(diǎn)，題目難度很大．