题目内容
15.实施以节约能源和减少废气排放为基本内容的节能减排政策,是应对全球气候问题、建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择.化工行业的发展必须符合国家节能减排的总体要求.试运用所学知识,回答下列问题:(1)已知某温度下某反应的化学平衡常数表达式为:K=$\frac{c({H}_{2}O)}{c(CO)•c({H}_{2})}$,所对应的化学反应方程式为:CO(g)+H2(g)?C(s)+H2O(g).
(2)已知在一定温度下,
①C(s)+CO2(g)?2CO(g)△H1=a kJ/mol 平衡常数K1;
②CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g)△H2=b kJ/mol 平衡常数K2;
③C(s)+H2O(g)?CO(g)+H2(g)△H3 平衡常数K3.
则K1、K2、K3之间的关系是:K3=K1×K2,△H3=(a+b)kJ/mol(用含a、b的代数式表示).
(3)煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题.已知等体积的一氧化碳和水蒸气进入反应器时,发生如下反应:CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g),该反应平衡常数随温度的变化如表所示:
温度/℃ | 400 | 500 | 800 |
平衡常数K | 9.94 | 9 | 1 |
(4)在催化剂存在条件下反应:H2O(g)+CO(g)?CO2(g)+H2(g),CO转化率随蒸气添加量的压强比及温度变化关系如图1所示:
对于气相反应,用某组分(B)的平衡分压强(PB)代替物质的量浓度(cB)也可以表示平衡常数(记作Kp),则该反应的Kp=$\frac{P(CO{\;}_{2})P(H{\;}_{2})}{P(CO)P(H{\;}_{2}O)}$,提高p[H2O(g)]/p(CO)比,则Kp不变(填“变大”、“变小”或“不变”).实际上,在使用铁镁催化剂的工业流程中,一般采用400℃左右、p[H2O(g)]/p(CO)=3~5.其原因可能是投料比太低,CO的转化率不太高,而投料比3~5时转化率已经很高达到96%~98%,再增加投料比,需要大大的增加蒸汽添加量,这样在在经济上不合算,催化剂的活性温度在400℃左右.
(5)工业上可利用原电池原理除去工业尾气中的CO并利用其电能,反应装置如图2所示,请写出负极的电极反应式:CO-2e-+CO32-=2CO2.
分析 (1)平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,平衡常数中,分子为生成物,分母为反应物和质量恒定律分析解题;
(2)根据平衡常数的表达式推断;应用盖斯定律来求△H3;
(3)平衡常数随温度的变化来判断正反应方向是吸热还是放热,应用三行式结合平衡常数来求转化率;
(4)将化学平衡常数中的浓度c换成压强P就可以得到KP;根据平衡常数只与温度有关,与浓度无关;投料比太低,CO的转化率不太高,投料比太高,经济上不合算以及考虑催化剂的活性来解答;
(5)负极发生氧化反应.
解答 解:(1)平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,平衡常数中,分子为生成物,分母为反应物,再结合元素守恒,生成物中应有碳元素,在平衡常数表达式中没有,则说明是碳固体单质,所以该反应的方程式为CO(g)+H2(g)?C(s)+H2O(g),
故答案为:CO(g)+H2(g)?C(s)+H2O(g);
(2)根据化学方程式可知:K1=$\frac{c{\;}^{2}(CO)}{c(CO{\;}_{2})}$,K2=$\frac{c(H{\;}_{2})×c(CO{\;}_{2})}{c(CO)×c(H{\;}_{2}O)}$,K3=$\frac{c(CO)×c(H{\;}_{2})}{c(H{\;}_{2}O)}$,所以:K3=K1×K2;由①+②可得方程式C(s)+H2O(g)?CO(g)+H2(g),所以△H3=(a+b)kJ/mol,
故答案为:K3=K1×K2;(a+b)kJ/mol;
(3)由图可知温度越高K值越小,说明正反应为放热反应,
对于反应 CO(g)+H2O(g)?H2(g)+CO2(g),
开始(mol/L):0.02 0.02 0 0
变化(mol/L):c c c c
平衡(mol/L):0.02-c 0.02-c c c
所以$\frac{c×c}{(0.02-c)×(0.02-c)}$=9,解得c=0.015
所以CO的转化率为$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%,
故答案为:放热;75%;
(4)对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强(pB)代替物质的量浓度也可以表示平衡常数(记作Kp),反应的平衡常数=$\frac{P(CO{\;}_{2})P(H{\;}_{2})}{P(CO)P(H{\;}_{2}O)}$;平衡常数只与温度有关,与浓度无关,所以提高$\frac{H{\;}_{2}O(g)}{CO}$比,则KP不变;由图象可知,投料比太低,CO的转化率不太高,而投料比3~5:1时转化率已经很高达到96%~98%,再增加投料比,需要大大的增加蒸汽添加量,这样在在经济上不合算,催化剂的活性温度在400℃左右,所以一般采用400℃左右,H2O(气):CO=3~5;
故答案为:$\frac{P(CO{\;}_{2})P(H{\;}_{2})}{P(CO)P(H{\;}_{2}O)}$;不变;投料比太低,CO的转化率不太高,而投料比3~5时转化率已经很高达到96%~98%,再增加投料比,需要大大的增加蒸汽添加量,这样在在经济上不合算,催化剂的活性温度在400℃左右;
(5)负极发生氧化反应,CO-2e-+CO32-=2CO2,
故答案为:CO-2e-+CO32-=2CO2.
点评 本题考查了反应的平衡常数和盖斯定律、图象分析判断的方法、平衡三段法的计算、原电池原理的分析判断和电极反应的分析判断,掌握基础是解题的关键,题目难度中等.
已知温度为T时:①CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g)△H=-41kJ•mol-1
②CH4(g)+2H2O(g)═4H2(g)+CO2(g)△H=+165kJ•mol-1
下列说法不正确的是( )
A. | 催化剂不能改变该反应的△H | |
B. | ①中反应物的键能总和小于生成物的键能总和 | |
C. | ②中反应物的总能量高于生成物的总能量 | |
D. | CO(g)与H2(g)合成CH4(g)的反应为放热反应 |
t/s | 0 | 500 | 1000 | 1500 |
n(X)/mol | 4.00 | 2.80 | 2.00 | 2.00 |
A. | 平衡不移动 | |
B. | 重新达到平衡后,再充入的M转化率小于50% | |
C. | 重新达到平衡后,Y的平均反应速率与原平衡相等 | |
D. | 重新达到平衡后,用X表示的v(正)比原平衡大 | |
E. | 重新达到平衡后,混合气体中Y的体积分数增大 | |
F. | 重新达到平衡后,M的物质的量浓度是原平衡的1.5倍 |
A. | KClO3→KCl | B. | NH4+→N2 | C. | CO32-→CO2 | D. | Fe3+→Fe2+ |
A. | 1mol某气体的体积为22.4L,该气体所处的状态一定是标准状况 | |
B. | 将22.4L氯化氢气体溶解于水并配成1L溶液,所得溶液浓度为1mol•L-1 | |
C. | 任何状况下,1molCO2和18gH2O所含的分子数和原子数都相等 | |
D. | 20ml0.1mol/L的AlCl3溶液中的Cl-的物质的量浓度小于50mL0.2mol/L的NaCl溶液中的Cl-的物质的量浓度 |