Question

工業(yè)上由焦炭或天然氣制氫氣的過程中會產生一氧化碳．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：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ?mol^-1
該反應在工業(yè)上被稱為“一氧化碳變換”．
（1）寫出該反應的平衡常數表達式：K=

 

．
K（200℃）

 

K（300℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）恒溫恒容條件下，以下能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是

 

（填字母序號）．
a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O）
b．c（CO₂）=c（CO）
c．混合氣體的總物質的量不再改變
d．混合氣體的密度不再改變
（3）某溫度下，在一個容積為10L的密閉容器中加入1mol CO和4mol H₂O（g），反應經20min后達到平衡，測得該反應實際放出的熱量為32.8kJ，迅速導出熱量，保持環(huán)境溫度不變，該時間范圍內反應的平均速率ν （CO ）=

 

；平衡常數K的數值為

 

．
（4）某工業(yè)合成氨的原料氣組成為：H₂ 40%、N₂ 20%、CO 30%、CO₂10%（均為體積分數）．現采用“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物投料比（

n(H2O)

n(CO)

）QUOTE下，變換后平衡混合氣體中CO的體積分數如下表所示：

	=1	=3	=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從表中數據可以得到控制不同條件時CO的轉化率的變化規(guī)律．能使CO的轉化率升高，可改變的條件是

 

、

 

．
②溫度是一氧化碳變換工藝中最重要的工藝條件，實際生產過程中將溫度控制在300℃左右，其原因是

 

．
③溫度為300℃、

n(H2O)

n(CO)

=1時，變換后的平衡混合氣體中CO₂的體積分數是

 

（結果保留3位有效數字）．

Answer 1

考點：化學平衡的計算,化學平衡建立的過程,化學平衡的影響因素

專題：化學平衡專題

分析：（1）根據平衡常數的概念及該反應方程式解答；該反應為放熱反應，升高溫度，平衡向著逆向移動，則平衡常數減�。�
（2）可逆反應達到平衡狀態(tài)時正逆反應速率相等，各組分的濃度不再變化，據此進行判斷；
（3）根據反應速率v=

△c

△t

計算出二氧化碳的反應速率；根據三段式計算出達到平衡時各組分的濃度，根據根據K=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

計算出平衡常數；
（4）①根據表中數據判斷溫度、反應物投料比對CO的體積分數的影響解答；
②根據溫度對化學平衡、化學反應速率的影響方面分析；
③該反應是氣體體積不變的反應，設反應前氣體總體積為VL，計算出反應前CO、二氧化碳的體積；

n(H2O)

n(CO)

=1，則加入水蒸氣的體積與CO的體積相等，從而得出反應達到平衡時總體積；然后根據反應方程式、達到平衡時CO的體積分數計算出反應生成二氧化碳的體積，再計算出二氧化碳的體積分數．

解答： 解：（1）反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常數表達式為：K=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

；
由于該反應為放熱反應，溫度越高，化學平衡向著逆向移動，則平衡常數越小，所以K（200℃）＞K（300℃）（
故答案為：

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

；＞；
（2）a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O），表示的是正反應速率和逆反應速率，且滿足化學計量數關系，說明正逆反應速率相等，達到了平衡狀態(tài)，故a正確；
b．c（CO₂）=c（CO），無法判斷正逆反應速率是否相等，無法判斷是否達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．混合氣體的總物質的量不再改變：該反應是氣體體積不變的反應，無論是否達到平衡狀態(tài)，氣體的總物質的量始終不變，無法根據混合氣體的總物質的量判斷平衡狀態(tài)，故c錯誤；
d．混合氣體的密度不再改變：反應氣體都是氣體，氣體的質量不變，容器的容積不變，根據ρ=

m

V

可知，反應過程中氣體的密度始終不變，無法根據密度判斷平衡狀態(tài)，故d錯誤；
故答案為：a；
（3）測得該反應實際放出的熱量為32.8kJ，則反應消耗的CO的物質的量為：n（CO）=

32.8kJ

41kJ/mol

=0.8mol，
利用三段式法可得：
       CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1mol      4mol     0         0
轉化：0.8mol    0.8mol  0.8mol   0.8mol
平衡  0.2mol   3.2mol   0.8mol   0.8mol
該時間范圍內反應的平均速率ν （CO ）=

0.8mol 10L

20min

=0.004 mol?L^-1?min^-1；
該溫度下該反應的平衡常數為：K=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

=

0.2 10 × 3.2 10

0.8 10 × 0.8 10

=1，
故答案為：0.004 mol?L^-1?min^-1；1；
（4）①根據表中數據可知，反應物投料比相同時，升高溫度，一氧化碳的體積分數增大；溫度相同時，配料比越大，一氧化碳的體積分數減小，所以增大CO，增大反應物投料比（或原料氣中水蒸氣的比例），可以增大CO的轉化率，
故答案為：降低溫度；增大反應物投料比（或原料氣中水蒸氣的比例）；
②盡管提高溫度，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的轉化率下降，實際生產過程中應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，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的轉化率下降，實際生產過程中應該綜合考慮速率和平衡兩個方面；
③反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）中，反應恰好氣體的體積不變，則反應過程中氣體的總體積不變，設反應前氣體總體積為V，則CO的體積為30%VL=0.3VL，二氧化碳的體積為：10V%=0.1V，
由于

n(H2O)

n(CO)

=1，則加入的水蒸氣的體積為30%V，反應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的體積分數為6%，則反應消耗的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為：

0.1V+0.222V

1.2V

×100%=24.8%，
故答案為：24.8%．

點評：本題考查了化學平衡、化學平衡常數的計算、影響化學反應速率、化學平衡的因素等知識，題目難度較大，試題涉及的知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．