Question

12．TK、1MPa 条件下时，在容积可变的密闭容器中充入1molCO₂和3molH₂存在如下反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=a kJ/mol．达平衡时，H₂的体积分数为30%．
（1）CO₂的转化率为75%
（2）已知气体分压=物质的量分数×总压，则用分压表示K=$\frac{100}{3}$
（3）将上述平衡体系转移至T₁ K（高于1000K），体积为1L的恒容容器中，并加入0.3molFe．重新达平衡时，n（H₂）=1mol．则此时K=1.6．

Answer 1

分析 （1）同一容器中，各物质的体积分数之比等于物质的量之比，所以达到平衡时氢气的体积分数也是其物质的量分数为30%，
设参加反应的二氧化碳物质的量为xmol，
     CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始 1mol    3mol      0         0
反应 xmol    3xmol     xmol      xmol
平衡（1-x）mol 3（1-x）mol xmol    xmol
氢气物质的量分数=$\frac{3（1-x）mol}{（1-x）mol+3（1-x）mol+xmol+xmol}$×100%=30%，x=0.75，
二氧化碳转化率=$\frac{参加反应的二氧化碳物质的量}{二氧化碳总物质的量}$×100%；
（2）气体分压=物质的量分数×总压，则用分压表示K=生成物物质的量幂之积与反应物物质的量幂之积的比，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）根据3Fe（s）+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄（s）+4H₂（g）知，0.3molFe完全反应消耗0.4molH₂O、生成0.4molH₂，如果CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）不发生反应，则平衡体系氢气物质的量=0.75mol+0.4mol=1.15mol，实际上平衡时n（H₂）=1mol，则有0.15mol的氢气发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始0.25mol 0.75mol 0.75mol  0.75mol
反应0.05mol 0.15mol 0.05mol  0.05mol
平衡0.2mol  1mol    0.8mol   （0.75+0.05-0.4）mol
根据化学平衡常数公式计算该温度下平衡常数．

解答 解：（1）同一容器中，各物质的体积分数之比等于物质的量之比，所以达到平衡时氢气的体积分数也是其物质的量分数为30%，
设参加反应的二氧化碳物质的量为xmol，
    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始 1mol    3mol         0       0
反应 xmol    3xmol        xmol    xmol
平衡（1-x）mol 3（1-x）mol xmol    xmol
氢气物质的量分数=$\frac{3（1-x）mol}{（1-x）mol+3（1-x）mol+xmol+xmol}$×100%=30%，x=0.75，
二氧化碳转化率=$\frac{参加反应的二氧化碳物质的量}{二氧化碳总物质的量}$×100%=$\frac{0.75mol}{1mol}×100%$=75%，
故答案为：75%；
（2）气体分压=物质的量分数×总压，则用分压表示K=生成物物质的量幂之积与反应物物质的量幂之积的比，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；
则用分压表示K=$\frac{0.1×0.1}{0.1×0．{3}^{3}}$=$\frac{100}{3}$，
故答案为：$\frac{100}{3}$；
（3）根据3Fe（s）+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄（s）+4H₂（g）知，0.3molFe完全反应消耗0.4molH₂O、生成0.4molH₂，如果CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）不发生反应，则平衡体系氢气物质的量=0.75mol+0.4mol=1.15mol，实际上平衡时n（H₂）=1mol，则有0.15mol的氢气发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
    CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始 0.25mol 0.75mol 0.75mol  0.75mol
反应 0.05mol 0.15mol 0.05mol  0.05mol
平衡 0.2mol  1mol    0.8mol   （0.75+0.05-0.4）mol
化学平衡常数K=$\frac{0.8×0.4}{0.2×{1}^{3}}$=1.6，
故答案为：1.6．

点评 本题考查化学平衡计算，为高频考点，明确化学平衡常数计算方法是解本题关键，注意三段式的灵活运用，难点是（3）题计算，要注意铁发生的反应，题目难度中等．