Question

5．工業(yè)上由焦炭或天然氣制氫氣的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一氧化碳．為了除去氫氣中混有的一氧化碳，可在催化劑存在的條件下將一氧化碳與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1
該反應(yīng)在工業(yè)上被稱(chēng)為“一氧化碳變換”．
（1）寫(xiě)出該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$．
K（200℃）＞K（300℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）恒溫恒容條件下，以下能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是a（填字母序號(hào)）．
a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O）                b．c（CO₂）=c（CO）
c．混合氣體的總物質(zhì)的量不再改變           d．混合氣體的密度不再改變
（3）某溫度下，在一個(gè)容積為10L的密閉容器中加入1mol CO和4mol H₂O（g），反應(yīng)經(jīng)20min后達(dá)到平衡，測(cè)得平衡時(shí)CO₂的物質(zhì)的量為0.8mol，該時(shí)間范圍內(nèi)反應(yīng)的平均速率ν （CO ）=0.004mol•L^-1•min^-1；平衡常數(shù)K的數(shù)值為1．
（4）某工業(yè)合成氨的原料氣組成為：H₂ 40%、N₂ 20%、CO 30%、CO₂10%（均為體積分?jǐn)?shù)）．現(xiàn)采用“一氧化碳變換”法，向上述原料氣中加入水蒸氣，將其中的CO除去．已知不同溫度及反應(yīng)物投料比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$）下，變換后平衡混合氣體中CO的體積分?jǐn)?shù)如下表所示：

投料比 CO的體積分?jǐn)?shù)% 溫度/℃	$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=1	$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=3	$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=5
200 250 300 350	1.70 2.73 6.00 7.85	0.21 0.30 0.84 1.52	0.02 0.06 0.43 0.80

①?gòu)谋碇袛?shù)據(jù)可以得到控制不同條件時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律．能使CO的轉(zhuǎn)化率升高，可改變的條件是降低溫度、增大反應(yīng)物投料比（或原料氣中水蒸氣的比例）．
②溫度是一氧化碳變換工藝中最重要的工藝條件，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中將溫度控制在300℃左右，其原因是提高溫度，會(huì)提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個(gè)方面．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)平衡常數(shù)的概念及該反應(yīng)方程式解答；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向著逆向移動(dòng)，則平衡常數(shù)減小；
（2）可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度不再變化，據(jù)此進(jìn)行判斷；
（3）根據(jù)反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算出二氧化碳的反應(yīng)速率；根據(jù)三段式計(jì)算出達(dá)到平衡時(shí)各組分的濃度，根據(jù)根據(jù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$計(jì)算出平衡常數(shù)；
（4）①根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷溫度、反應(yīng)物投料比對(duì)CO的體積分?jǐn)?shù)的影響解答；
②根據(jù)溫度對(duì)化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)速率的影響方面分析．

解答 解：（1）反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$；
由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)平衡向著逆向移動(dòng)，則平衡常數(shù)越小，所以K（200℃）＞K（300℃）（
故答案為：$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$；＞；
（2）a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O），表示的是正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率，且滿(mǎn)足化學(xué)計(jì)量數(shù)關(guān)系，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故a正確；
b．c（CO₂）=c（CO），無(wú)法判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，無(wú)法判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯(cuò)誤；
c．混合氣體的總物質(zhì)的量不再改變：該反應(yīng)是氣體體積不變的反應(yīng)，無(wú)論是否達(dá)到平衡狀態(tài)，氣體的總物質(zhì)的量始終不變，無(wú)法根據(jù)混合氣體的總物質(zhì)的量判斷平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；
d．混合氣體的密度不再改變：反應(yīng)氣體都是氣體，氣體的質(zhì)量不變，容器的容積不變，根據(jù)ρ=$\frac{m}{V}$可知，反應(yīng)過(guò)程中氣體的密度始終不變，無(wú)法根據(jù)密度判斷平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
故答案為：a；
（3）利用三段式法可得：
       CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1mol      4mol     0         0
轉(zhuǎn)化：0.8mol    0.8mol  0.8mol   0.8mol
平衡  0.2mol   3.2mol   0.8mol   0.8mol
該時(shí)間范圍內(nèi)反應(yīng)的平均速率ν （CO ）=$\frac{\frac{0.8mol}{10L}}{20min}$=0.004 mol•L^-1•min^-1；
該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.2}{10}×\frac{3.2}{10}}{\frac{0.8}{10}×\frac{0.8}{10}}$=1，
故答案為：0.004 mol•L^-1•min^-1；1；
（4）①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，反應(yīng)物投料比相同時(shí)，升高溫度，一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)增大；溫度相同時(shí)，配料比越大，一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)減小，所以增大CO，增大反應(yīng)物投料比（或原料氣中水蒸氣的比例），可以增大CO的轉(zhuǎn)化率，
故答案為：降低溫度；增大反應(yīng)物投料比（或原料氣中水蒸氣的比例）；
②盡管提高溫度，會(huì)提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個(gè)方面，選擇最佳溫度為300℃，
故答案為：提高溫度，會(huì)提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個(gè)方面．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、影響化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的因素等知識(shí)，題目難度較大，試題涉及的知識(shí)點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查了學(xué)生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的能力．