Question

7．某科研單位利用石油裂解的副產(chǎn)物CH₄來制取CO和H₂，其生產(chǎn)流程如圖1：
（1）該流程第Ⅰ步反應(yīng)為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖2．則P_1＜P₂．（填“＜”、“＞”或“=”）．該反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$．
（2）此流程的第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表：

溫度/℃	300	500	830
平衡常數(shù)K	12	9	1

①從上表分析推斷，該反應(yīng)是△H＜0（填“＜”、“＞”或“=”）．
②在500℃時，設(shè)起始時CO和H₂O的起始濃度均為0.010mol/L^-1，在該條件下，反應(yīng)達(dá)到平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為75%．
③如圖3表示該反應(yīng)在t₁時刻達(dá)到平衡，在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況：圖中t₂時刻發(fā)生改變的條件可能是降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量（寫出兩種）． 

Answer 1

分析 （1）采取控制變量法分析，由圖可知溫度相同時，到達(dá)平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；平衡常數(shù)是平衡狀態(tài)時生成物濃度冪之積比上反應(yīng)濃度冪之積，固體和純液體不代入表達(dá)式；
（2）分析圖1可知第Ⅱ發(fā)生反應(yīng)為：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進(jìn)行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，結(jié)合平衡移動原理分析．

解答 解：（1）由圖可知溫度相同時，到達(dá)平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，平衡向正反應(yīng)方向移動，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即P₁＜P₂；平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$，故答案為：＜；$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$；
（2）①分析圖表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進(jìn)行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H＜0，故答案為：＜；
②設(shè)一氧化碳濃度的變化為x，則              
                 CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
初起量（mol/L^-1）：0.010    0.010     0       0
變化量（mol/L^-1）：x        x       x       x
平衡量（mol/L^-1）：0.01-x   0.01-x    x       x
在500℃時達(dá)平衡，$\frac{{x}^{2}}{（0.01-x）^{2}}=9$，解之得：x=$\frac{0.03}{4}$，所以CO的轉(zhuǎn)化率為$\frac{\frac{0.03}{4}}{0.01}×100%$=75%，故答案為：75%；
③反應(yīng)是氣體體積不變的放熱反應(yīng)，在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，說明平衡正向進(jìn)行，降低溫度，或增加水蒸氣的量或減少氫氣的量均可以實現(xiàn)，
故答案為：降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量．

點評 本題考查了化學(xué)平衡的分析判斷，圖象分析方法，平衡常數(shù)的計算應(yīng)用，平衡移動原理的理解和影響因素的分析是解題關(guān)鍵，題目難度中等．