高中 | 化学平衡常数 题目答案及解析

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选修四

第二章 化学反应速率和化学平衡

第三节 化学平衡

化学平衡常数

甲醇汽油是一种新能源清洁燃料,可以作为汽油的替代物。将$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$转化为甲醇,既可减少$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$的排放,又可节约能源,转化过程涉及如下反应:

反应$\rm i$$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\text{(g)+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{(g)}\rightleftharpoons \text{CO(g)+}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O(g)}\quad \Delta {{H}_{\text{1}}}\text{=+40}\text{.9 kJ/mol}$

反应$\rm ii$$\text{CO(g)+2}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{(g)}\rightleftharpoons \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH(g)}\quad \Delta {{H}_{\text{2}}}=a\text{ kJ/mol}$

①写出反应的平衡常数表达式$K=$                

②在图中画出,不同温度下$({{T}_{1}}\gt {{T}_{2}}\rm )$,反应$\rm i$$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$的平衡转化率随压强变化的关系图$\rm ($请在图上标注温度${{T}_{1}}$${{T}_{2}}\rm )$                

[["

$K=\\dfrac{c\\left( \\text{C}{{\\text{H}}_{\\text{3}}}\\text{OH} \\right)\\cdot c\\left( {{\\text{H}}_{2}}\\text{O} \\right)}{c\\left( \\text{C}{{\\text{O}}_{2}} \\right)\\cdot {{c}^{3}}\\left( {{\\text{H}}_{2}} \\right)}$

"]]

①将反应$\rm i$和反应$\rm ii$相加得到总反应:$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)+3{{\text{H}}_{2}}\left( \text{g} \right)\rightleftharpoons {{\text{H}}_{2}}\text{O}\left( \text{g} \right)+\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}\left( \text{g} \right)$,则反应的平衡常数表达式$K=\dfrac{c\left( \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH} \right)\cdot c\left( {{\text{H}}_{2}}\text{O} \right)}{c\left( \text{C}{{\text{O}}_{2}} \right)\cdot {{c}^{3}}\left( {{\text{H}}_{2}} \right)}$

②由于反应$\rm i$反应前后气体系数不发生变化,所以压强不改变二氧化碳的平衡转化率,反应$\rm i$是吸热反应,温度升高,平衡正向移动,所以${{T}_{1}}$温度下二氧化碳的转化率更高,反应$\rm i$$\text{C}{{\text{O}}_{\text{2}}}$的平衡转化率随压强变化的关系图如下:

为研究反应$\rm ii$平衡时$\text{CO}$的转化率与反应物投料比$ (\dfrac{c{{\text{(CO)}}_{起始}}}{c{{\left( {{\text{H}}_{\text{2}}} \right)}_{起始}}}\rm )$及温度的关系,研究小组在$\rm 10$ $\rm L$的密闭容器中进行模拟反应,并绘出下图:

①反应热$\rm a$                $\rm 0($$\rm \gt $”或“$\rm \lt $$\rm )$,判断依据是                

②若其它条件相同,$\rm I$、Ⅱ曲线分别表示投料比不同时的反应过程。投料比:$\rm I$                $\rm ($填“$\rm \gt $”或“$\rm \lt )$。若Ⅱ反应的$n{{\text{(CO)}}_{起始}}\text{=10 mol}$、投料比为$\rm 0.5$$\rm A$点的平衡常数${{K}_{\text{A}}}=$                $\rm B$点的平衡常数${{K}_{\text{B}}}$                ${{K}_{\text{A}}}\rm ($填“$\rm \gt $”或“$\rm \lt $”或“$\rm =$$\rm )$

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$\\rm \\lt $ ; 一氧化碳转化率随温度升高减小,说明温度升高,平衡逆向移动,所以正反应为放热反应 ; $\\rm \\lt $$\\rm 1$$\\rm =$

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①图像可知,一氧化碳转化率随温度升高减小,说明温度升高,平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,反应热$\text{a}\lt 0$

②由于增大氢气的浓度有利于提高$\rm CO$的转化率,所以根据图像可知曲线在温度相等的条件下曲线$\rm I$的转化率大,所以投料比:Ⅰ$\rm \lt $Ⅱ;

若Ⅱ反应的$n{{\left( \text{CO} \right)}_{起始}}=10\text{ mol}$、投料比为$\rm 0.5$,则$n\left( {{\text{H}}_{2}} \right)=20\text{ mol}$$\rm A$点时$\rm CO$的转化率为$\rm 50\%$,列出三段式如下:

$\begin{matrix} {} & \text{CO}\left( \text{g} \right) & + & 2{{\text{H}}_{2}}\left( \text{g} \right) & \rightleftharpoons & \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{OH}\left( \text{g} \right) \\起始浓度 \left( \text{mol}/\text{L} \right) & 1 & {} & 2 & {} & 0 \\转化浓度 \left( \text{mol}/\text{L} \right) & 0.5 & {} & 1 & {} & 0.5 \\平衡浓度 \left( \text{mol}/\text{L} \right) & 0.5 & {} & 1 & {} & 0.5 \\ \end{matrix}$

$\rm A$点的平衡常数${{K}_{\text{A}}}=\dfrac{0.5}{0.5\times {{1}^{2}}}=1$$\rm A$$\rm B$是相同温度下的平衡,平衡常数只随温度变化,所以$\rm A$$\rm B$平衡常数相同。

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