Question

6．工業(yè)上由焦炭或夭然氣制氫氣的過程中會產(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^-l．該反應(yīng)在工業(yè)上被稱為“一氧化碳變換”．
（1）寫出該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式：K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$； K（ 200℃）＞ K（ 300℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）在773K時，一氧化碳變換反應(yīng)的平衡常數(shù)K=9，如反應(yīng)開始時CO和H₂O的濃度都是0.020•mol^-l，則在此反應(yīng)條件下一氧化碳的轉(zhuǎn)化率為75%．
（3）某工業(yè)合成氨的原料氣組成為：H₂ 40%、N₂ 20%、CO30%、CO₂10%（均為體積分數(shù)）．現(xiàn)采用“一氧化碳變換”法，向上述原料氣中加入水蒸氣，以除去其中的CO．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的體積分數(shù)如下表所示：

投料比 CO體積分數(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從表中數(shù)據(jù)可以得到控制不同條件時CO的轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律．能使CO的轉(zhuǎn)化率升高，可改變的條件降低溫度、增大反應(yīng)物投料比（$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$ ）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，實際生產(chǎn)過程中將溫度控制在300℃左右，其原因是提高溫度，會提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個方面．
③溫度為300℃、$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$=1時，變換后的平衡混合氣體中CO₂的體積分數(shù)是24.8%．（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）．

Answer 1

分析 （1）化學平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應(yīng)到達平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值，固體、純液體不需要寫出；
正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)減��；
（2）設(shè)平衡時CO的濃度變化量為xmol/L，利用三段式解題法表示出平衡時各組分濃度，代入平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$中計算x的值，進而計算CO轉(zhuǎn)化率；
（3）①利用控制變量法，根據(jù)表中數(shù)據(jù)判斷溫度、反應(yīng)物投料比對CO的體積分數(shù)的影響解答；
②從反應(yīng)速率、平衡移動等進行分析解答；
③反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）中，反應(yīng)前后氣體的體積不變，則反應(yīng)過程中氣體的總體積不變，設(shè)反應(yīng)原料氣的總體積為V，計算出反應(yīng)前CO、二氧化碳的體積；$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$=1，則加入水蒸氣的體積與CO的體積相等，從而得出反應(yīng)達到平衡時總體積；然后根據(jù)反應(yīng)方程式、達到平衡時CO的體積分數(shù)計算出反應(yīng)生成二氧化碳的體積，再計算出二氧化碳的體積分數(shù)．

解答 解：（1）反應(yīng)CO（g）+H₂O（ g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；
正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)減小，K（200℃）＞K（300℃），
故答案為：K=$\frac{c（C{O}_{2}）×c（{H}_{2}）}{c（CO）×c（{H}_{2}O）}$；＞；
（2）設(shè)平衡時CO的濃度變化量為xmol/L，則：
             CO（g）+H₂O（ g）?CO₂（g）+H₂（g）
開始（mol/L）：0.02    0.02       0       0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：x        x         x       x
平衡（mol/L）：0.02-x  0.02-x    x       x x
則$\frac{x×x}{（0.02-x）×（0.02-x）}$=9，解得x=0.015
故CO的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案為：75%；
（4）①由表中數(shù)據(jù)可知，溫度一定時，反應(yīng)物投料比（$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$ ）越大，平衡時CO的體積分數(shù)越小，CO的轉(zhuǎn)化率越高；反應(yīng)物投料比（$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$ ）一定時，溫度越低，平衡時CO的體積分數(shù)越小，CO的轉(zhuǎn)化率越高，所以降低溫度，增大反應(yīng)物投料比（$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$ ）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（$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$ ）或原料氣中水蒸氣的比例；
②盡管提高溫度，會提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個方面，選擇最佳溫度為300℃，
故答案為：提高溫度，會提高反應(yīng)速率，但平衡逆向移動，CO的轉(zhuǎn)化率下降，實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該綜合考慮速率和平衡兩個方面；
③反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）中，反應(yīng)前后氣體的體積不變，則反應(yīng)過程中氣體的總體積不變，設(shè)反應(yīng)原料氣總體積為V，則CO的體積為30%VL=0.3VL，二氧化碳的體積為：10V%=0.1V，由于$\frac{n{H}_{2}O}{n（CO）}$=1，則加入的水蒸氣的體積為0.3V，則反應(yīng)達到平衡時氣體總體積為：V+0.3V=1.3V，溫度為300℃達到平衡時CO的體積分數(shù)為6%，則反應(yīng)消耗的CO=生成的二氧化碳的體積=0.3V-1.3V×6%=0.222V，達到平衡時二氧化碳的體積分數(shù)為：$\frac{0.1V+0.222V}{1.3V}$×100%=24.8%，
故答案為：24.8%．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡常數(shù)計算、化學反應(yīng)速率與化學平衡影響因素等，題目難度中等，較好的考查了學生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學知識的能力．