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/℃400500800
平衡常数K9.9491
该反应的正反应方向是放热反应(填“吸热”或“放热”),若在500℃时进行,设起始时CO和H2O的起始浓度均为0.020mol•L-1,在该条件下,CO的平衡转化率为:75%.
(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.

练习册系列答案
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10.甲醇是一种重要的化工原料.有着重要的用途和应用前景.
(1)工业生产甲醇的常用方法是:
CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H=-90.8kJ•mol-1
已知:2H2(g)+O2(g)?2H2O (l)△H=-571.6kJ•mol-1
H2(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)?H2O (g)△H=-241.8kJ•mol-1
①H2的燃烧热△H=-285.8KJ/mol.
②若在恒温恒容的容器内进行反应CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g),则可用来判断该反应达到平衡状态的标志有AD(填字母)
A.CO百分含量保持不变      B.容器中H2浓度与CO浓度相等
C.容器中混合气体的密度保持不变   D.CO的生成速率与CH3OH的生成速率相等
(2)工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有两种:
①甲醇蒸汽重整法.
主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g).已知:同温同体积时,气体的压强与物质的量成正比.设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol CH3OH(g),体系压强为P1,在一定条件下达到平衡时,体系压强为P2,且P2/P1=2.2,请计算该条件下平衡时H2的物质的量及CH3OH的转化率.(要求在答题卡上写出计算过程)
②甲醇部分氧化法.
在一定温度下以Ag/CeO2-ZnO为催化剂时原料气比例对反应的选择性(选择性越大,表示生成的该物质越多)影响关系如图所示.则当$\frac{n({O}_{2})}{n(C{H}_{3}OH)}$=0.25时.CH3OH与O2发生的主要反应方程式为:2CH3OH+O2$\frac{\underline{催化剂}}{△}$ 2HCHO+2H2O.在制备H2时最好控制$\frac{n({O}_{2})}{n(C{H}_{3}OH)}$=0.5.

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