1. (2023·山东选考)一定条件下,水气变换反应CO+H2OCO2+H2的中间产物是HCOOH。为探究该反应过程,研究HCOOH水溶液在密封石英管中的分子反应:
Ⅰ.HCOOHCO+H2O(快)
Ⅱ.HCOOHCO2+H2(慢)
研究发现,在反应Ⅰ、Ⅱ中,H+仅对反应Ⅰ有催化加速作用;反应Ⅰ速率远大于反应Ⅱ,近似认为反应Ⅰ建立平衡后始终处于平衡状态。忽略水电离,其浓度视为常数。回答下列问题:
(1)(命题角度:速率常数与速率计算)反应Ⅰ正反应速率方程为:v=kc(H+)·c(HCOOH),k为反应速率常数。T1温度下,HCOOH电离平衡常数为Ka,当HCOOH平衡浓度为x mol·L-1时,H+浓度为 mol·L-1,此时反应Ⅰ速率v= kx mol·L-1·h-1(用含Ka、x和k的代数式表示)。
(2)(命题角度:多平衡体系中平衡常数计算)T3温度下,在密封石英管内完全充满1.0 mol·L-1HCOOH水溶液,使HCOOH分解,分解产物均完全溶于水。含碳物种浓度与反应时间的变化关系如图所示(忽略碳元素的其他存在形式)。t1时刻测得CO、CO2的浓度分别为0.70 mol·L-1、0.16 mol·L-1,反应Ⅱ达平衡时,测得H2的浓度为y mol·L-1。体系达平衡后= (用含y的代数式表示,下同),反应Ⅱ的平衡常数为 。
【解析】 (1)T1温度时,HCOOH建立电离平衡:
HCOOHHCOO-+ H+
平衡浓度(mol·L-1) x c(HCOO-) c(H+)
Ka=,c(HCOO-)=c(H+),故c(H+)=。v=kc(H+)·c(HCOOH)=kx。(2)t1时刻时,c(CO)达到最大值,说明此时反应Ⅰ达平衡状态。此时
HCOOHCO+H2O
t1时刻转化浓度(mol·L-1) 0.70 0.70
HCOOHCO2+H2
t1时刻转化浓度(mol·L-1) 0.16 0.16 0.16
故t1时刻c(HCOOH)=1.0-0.70-0.16=0.14 mol·L-1,K(Ⅰ)===5。t1时刻→反应Ⅱ达平衡过程,
HCOOHCO+H2O
t1时刻到反应Ⅰ平衡转化浓度(mol·L-1) a a
HCOOHCO2+H2
t1时刻到反应Ⅱ平衡转化浓度(mol·L-1) b b b
则c(H2)=b+0.16=y,b=(y-0.16)mol·L-1,c(HCOOH)=0.14-a-b=0.3-a-y,c(CO)=a+0.7,K(Ⅰ)===5,a=。故==,K(Ⅱ)===。