题目内容

6．工业上由焦炭或天然气制氢气的过程中会产生一氧化碳．为了除去氢气中混有的一氧化碳，可在催化剂存在的条件下发生反应：
CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H=-41.0kJ/mol
该反应在工业上被称为“一氧化碳变换”反应．
（1）在一个容积为1L的密闭容器中加入1molCO和3molH2O（g），发生上述反应，5min后达到平衡，测得该反应实际放出的热量为20.5kJ，迅速导出热量，保持容器中温度不变．则该时间范围内反应的平均速率ν（CO）=0.1mol/（L•min）；平衡常数K的数值为0.2．
（2）某工业合成氨的原料气组成为：H2 40%、N2 20%、CO 30%、CO210%（均为体积分数）．
现采用“一氧化碳变换”法，向上述原料气中加入水蒸气，将其中的CO除去．已知不同温度
及反应物投料比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$）下，变换反应后平衡混合气体中CO的体积分数如下表所示：
  
  温度/℃\CO的体积分数%\投料比
 
 		$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=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平衡混合气体中CO的体积分数越大，则CO的平衡转化率越小（填“大”或“小”）．
②从该反应的化学方程式分析，反应物投料比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$）越大，CO的平衡转化率越大（填
“大”或“小”），与上表中的数据分析结果相符（填“相符”或“不符”）．根据对上表的分析，为提高CO平衡转化率，还可以采取的措施是降低温度．
③不同温度下该反应K值：K（300℃）＜K（200℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
④温度是一氧化碳变换工艺中最重要的条件，实际生产过程中将温度控制在300℃左右，其原因是升高温度，会提高反应速率，但平衡逆向移动，CO的平衡转化率下降，实际生产中应综合考虑速率和平衡两个方面．

分析 （1）根据反应速率v=$\frac{△c}{△t}$计算出二氧化碳的反应速率；根据三段式计算出达到平衡时各组分的浓度，根据根据K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$计算出平衡常数；
（2）①利用控制变量法，根据表中数据判断温度、反应物投料比对CO的体积分数的影响分析，由表中数据可知，温度一定时，反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越大；
②由表中数据可知，温度一定时，反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越大，反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$一定时，温度越低，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越高，所以降低温度，增大反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$或原料气中水蒸气的比例；
③正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小；
④从反应速率、平衡移动等进行分析解答，尽管提高温度，会提高反应速率，但平衡逆向移动，CO的转化率下降，实际生产过程中应该综合考虑速率和平衡两个方面；

解答 解：（1）测得该反应实际放出的热量为20.5kJ，则反应消耗的CO的物质的量为：n（CO）=$\frac{20.5KJ}{41KJ/mol}$=0.5mol，
利用三段式法可得：
       CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）
起始：1mol      3mol     0         0
转化：0.5mol    0.5mol  0.5mol   0.5mol
平衡  0.5mol   2.5mol   0.5mol   0.5mol
该时间范围内反应的平均速率ν （CO ）=$\frac{\frac{0.5mol}{1L}}{5min}$=0.1 mol•L-1•min-1；
该温度下该反应的平衡常数为：K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5}{1}×\frac{0.5}{1}}{\frac{0.5}{1}×\frac{2.5}{1}}$=0.2；
故答案为：0.1 mol/（L•min），0.2；
（2）①由表中数据可知，温度一定时，反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越大，平衡混合气体中CO的体积分数越大，则CO的平衡转化率越小；
故答案为：小；
②由表中数据可知，温度一定时，反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越大，与上表中的数据分析结果相符；反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$一定时，温度越低，平衡时CO的体积分数越小，CO的转化率越高，所以降低温度，增大反应物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$或原料气中水蒸气的比例，可以增大CO的转化率，
故答案为：大，相符，降低温度；
③CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H=-41.0kJ/mol，反应是放热反应，升高温度平衡逆向进行，平衡常数减小，所以K（300℃）＜K（200℃）；
故答案为：＜；
④尽管提高温度，会提高反应速率，但平衡逆向移动，CO的转化率下降，实际生产过程中应该综合考虑速率和平衡两个方面，选择最佳温度为300℃，
故答案为：提高温度，会提高反应速率，但平衡逆向移动，CO的转化率下降，实际生产过程中应该综合考虑速率和平衡两个方面；

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡常数计算、化学反应速率与化学平衡影响因素等，题目难度中等，较好的考查了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．

练习册系列答案
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