Question

5．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将一氧化碳与水蒸气发生反应：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1
该反应在工业上被称为“一氧化碳变换”．
（1）写出该反应的平衡常数表达式：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$．
K（200℃）＞K（300℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
（2）恒温恒容条件下，以下能说明该反应达到平衡状态的是a（填字母序号）．
a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O）                b．c（CO₂）=c（CO）
c．混合气体的总物质的量不再改变           d．混合气体的密度不再改变
（3）某温度下，在一个容积为10L的密闭容器中加入1mol CO和4mol H₂O（g），反应经20min后达到平衡，测得平衡时CO₂的物质的量为0.8mol，该时间范围内反应的平均速率ν （CO ）=0.004mol•L^-1•min^-1；平衡常数K的数值为1．
（4）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，变换后平衡混合气体中CO的体积分数如下表所示：

投料比 CO的体积分数% 温度/℃	$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=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从表中数据可以得到控制不同条件时CO的转化率的变化规律．能使CO的转化率升高，可改变的条件是降低温度、增大反应物投料比（或原料气中水蒸气的比例）．
②温度是一氧化碳变换工艺中最重要的工艺条件，实际生产过程中将温度控制在300℃左右，其原因是提高温度，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．

Answer 1

分析 （1）根据平衡常数的概念及该反应方程式解答；该反应为放热反应，升高温度，平衡向着逆向移动，则平衡常数减小；
（2）可逆反应达到平衡状态时正逆反应速率相等，各组分的浓度不再变化，据此进行判断；
（3）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；
（4）①根据表中数据判断温度、反应物投料比对CO的体积分数的影响解答；
②根据温度对化学平衡、化学反应速率的影响方面分析．

解答 解：（1）反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$；
由于该反应为放热反应，温度越高，化学平衡向着逆向移动，则平衡常数越小，所以K（200℃）＞K（300℃）（
故答案为：$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$；＞；
（2）a．ν_消耗（CO）=ν_生成（H₂O），表示的是正反应速率和逆反应速率，且满足化学计量数关系，说明正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故a正确；
b．c（CO₂）=c（CO），无法判断正逆反应速率是否相等，无法判断是否达到平衡状态，故b错误；
c．混合气体的总物质的量不再改变：该反应是气体体积不变的反应，无论是否达到平衡状态，气体的总物质的量始终不变，无法根据混合气体的总物质的量判断平衡状态，故c错误；
d．混合气体的密度不再改变：反应气体都是气体，气体的质量不变，容器的容积不变，根据ρ=$\frac{m}{V}$可知，反应过程中气体的密度始终不变，无法根据密度判断平衡状态，故d错误；
故答案为：a；
（3）利用三段式法可得：
       CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始：1mol      4mol     0         0
转化：0.8mol    0.8mol  0.8mol   0.8mol
平衡  0.2mol   3.2mol   0.8mol   0.8mol
该时间范围内反应的平均速率ν （CO ）=$\frac{\frac{0.8mol}{10L}}{20min}$=0.004 mol•L^-1•min^-1；
该温度下该反应的平衡常数为：K=$\frac{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}{c（CO）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.2}{10}×\frac{3.2}{10}}{\frac{0.8}{10}×\frac{0.8}{10}}$=1，
故答案为：0.004 mol•L^-1•min^-1；1；
（4）①根据表中数据可知，反应物投料比相同时，升高温度，一氧化碳的体积分数增大；温度相同时，配料比越大，一氧化碳的体积分数减小，所以增大CO，增大反应物投料比（或原料气中水蒸气的比例），可以增大CO的转化率，
故答案为：降低温度；增大反应物投料比（或原料气中水蒸气的比例）；
②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 本题考查了化学平衡、化学平衡常数的计算、影响化学反应速率、化学平衡的因素等知识，题目难度较大，试题涉及的知识点较多、综合性较强，充分考查了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．