Question

18．碳素利用是环保科学家研究的热点课题．
I．某研究小组现将三组CO（g）与H₂O（g）的混合气体分别通入体积为2L的恒容密闭容器中，一定条件下发生反应：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，得到如表数据：

实验组	温度/℃	起始量（mol）		平衡量（mol）		达到平衡所 需要时间/min
		CO（g）	H2O（g）	CO2（g）	H2（g）
I	800	2	2	x	1	5
II	900	1	2	0.5	0.5	T1
III	900	2	2	a	a	T2

（1）实验I中，前5min的反应速率υ（CO₂）=0.1mol/（L．min）．
（2）下列能判断在800℃实验条件下CO（g）与H₂O（g）反应一定达到平衡状态的是BD．
A．容器内压强不再变化     B．n²（H₂）=n（H₂O）•n（CO）
C．混合气体密度不变       D．υ_正（CO）=υ_逆（CO₂）
（3）实验II和III中CO的平衡转化率：α_II（CO）＞α_III（CO） （填：＞、＜或=，下同），T₁＞T₂，a=$\sqrt{3}$-1（填精确数值）．
（4）若实验Ⅲ的容器改为在绝热的密闭容器中进行，实验测得H₂O（g）的转化率随时间变化的示意图如图所示，b点υ_正＞υ_逆（填“＜”、“=”或“＞”），t₃～t₄时刻，H₂O（g）的转化率H₂O%降低的原因是该反应达到平衡后，因反应为放热反应且反应容器为绝热容器，故容器内温度升高，反应逆向进行．
（5）CO和H₂在一定条件下合成甲醇．甲醇/空气碱性燃料电池中，消耗32g甲醇，电池中有转移4.5mol电子．负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．该电池中电流效率为75%．（电流效率η=$\frac{实际转移电子数}{理论转移电子数}$×100%）

Answer 1

分析 （1）根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（CO₂）；
（2）A．恒温、恒容条件下，气体的总物质的量始终不变，压强始终不变；
B．容器的体积为2L，初始浓度为1mol/L，平衡时氢气浓度为0.5mol/L，则：
             CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol/L）：1      1        0       0
变化（mol/L）：0.5    0.5      0.5    0.5
平衡（mol/L）：0.5    0.5       0.5    0.5
则800摄氏度下平衡常数K=$\frac{0.5×0.5}{0.5×0.5}$=1；
C．恒容条件下，反应物和产物都是气体，密度始终不变；
D．υ_正（CO）=υ_逆（CO₂），转化成CO₂的正、逆反应速率相等；
（3）实验III等效为在实验II的基础上再加入1molCO，相同温度下，增加CO浓度，CO的转化率降低；浓度越大，反应速率越快，到达平衡时间越短；
反应前后气体体积不变，用物质的量代替浓度计算900℃的平衡常数K=$\frac{0.5×0.5}{（1-0.5）×（2-0.5）}$=$\frac{1}{3}$，
实验III：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol）：2      2        0       0
变化（mol）：a      a        a        a
平衡（mol）：2-a     2-a      a        a
再根据相同温度下平衡常数不变列方程计算；
（4）c到达平衡，而b点未达到平衡，正反应速率减小，逆反应速率增大至相等；该反应达到平衡后，因反应为放热反应且反应容器为绝热容器，故容器内温度升高，反应逆向进行；
（5）甲醇在负极上发生氧化生成碳酸盐，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，n（CH₃OH）=1mol，n（e-）=6 mol，电流效率η=$\frac{实际转移电子数}{理论转移电子数}$×100%．

解答 解：（1）v（H₂）=$\frac{\frac{1mol}{2L}}{5min}$=0.1mol/（L．min），速率之比等于化学计量数之比，则v（CO₂）=v（H₂）=0.1mol/（L．min），
故答案为：0.1mol/（L．min）；
（2）A．恒温、恒容条件下，气体的总物质的量始终不变，压强始终不变，故A错误；
B．容器的体积为2L，初始浓度为1mol/L，平衡时氢气浓度为0.5mol/L，则：
             CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol/L）：1     1         0       0
变化（mol/L）：0.5    0.5      0.5     0.5
平衡（mol/L）：0.5     0.5      0.5     0.5
则800摄氏度下平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.5×0.5}{0.5×0.5}$=1，平衡时c（H₂）=c（CO₂），则n²（H₂）=n（H₂O）•n（CO），说明反应到达平衡，故B正确；
C．恒容条件下，反应物和产物都是气体，密度始终不变，故C错误；
D．υ_正（CO）=υ_逆（CO₂），转化成CO₂的正、逆反应速率相等，反应到达平衡，
故选：BD；
（3）实验III等效为在实验II的基础上再加入1molCO，相同温度下，增加CO浓度，CO的转化率降低；浓度越大，反应速率越快，到达平衡时间越短，则：α_II（CO）＞α_III（CO），T₁＞T₂，反应前后气体体积不变，用物质的量代替浓度计算900℃的平衡常数K=$\frac{0.5×0.5}{（1-0.5）×（2-0.5）}$=$\frac{1}{3}$，
实验III：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol）：2    2        0       0
变化（mol）：a    a         a       a
平衡（mol）：2-a   2-a       a       a
则$\frac{a×a}{（2-a）×（2-a）}$=$\frac{1}{3}$，解得a=$\sqrt{3}$-1，
故答案为：＞；＞；$\sqrt{3}$-1；
（4）c到达平衡，而b点未达到平衡，正反应速率减小，逆反应速率增大至相等，故b点υ_正＞υ_逆；
该反应达到平衡后，因反应为放热反应且反应容器为绝热容器，故容器内温度升高，反应逆向进行，故t₃～t₄时刻，H₂O（g）的转化率降低，
故答案为：＞；该反应达到平衡后，因反应为放热反应且反应容器为绝热容器，故容器内温度升高，反应逆向进行；
（5）甲醇在负极上发生氧化生成碳酸盐，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，n（CH₃OH）=$\frac{32g}{32g/mol}$=1mol，则n（e^-）=6 mol，电流效率η=$\frac{4.5mol}{6.0mol}$×100%=75%，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；75%．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡状态判断、化学平衡影响因素、原电池等，注意理解掌握化学平衡常数的应用．