Question

11．合成氨原料气H₂可通过CO和水蒸气在一定条件下反应制得．
（1）已知CO和H₂的燃烧热分别是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液态水变成水蒸气时要吸收2.44kJ的热量；则该反应的热化学方程式为CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.12kJ/mol；．
（2）该反应随温度升高正、逆反应平衡常数的变化曲线如图所示，表示K_正的曲线为B（选填“A”或“B”），理由是正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆向移动，K值减小．
（3）T₁℃时，向容积固定为5L的容器中充入2mol水蒸气和3molCO，发生上述反应达平衡，则平衡时水蒸气的转化率是60%（填字母）
（4）保持温度为T₁℃，改变水蒸气和CO的初始物质的量之比，充入恒容容器进行反应，下列描述能够说明体系处于平衡状态的是cd（填字母）
a．容器内压强不随时间改变
b．混合气体的密度不随时间改变
c．单位时间内生成a mol CO₂的同时消耗a molH₂
d．混合气中 n（CO）：n（H₂O）：n（CO₂）：n（H₂）=9：4：6：6
（5）某工业合成氨的原料气组成为：H₂40%、N₂20%、CO30%、CO₂10% （均为体积分数）．向上述原料气中加入水蒸气，以除去其中的CO．己知不同温度下的反应物投料比[$\frac{n（{H}_{2}0）}{n（C0）}$]，平衡时混合气体中CO的体积分数如表所示：

CO体积分数% 投料比		温度/℃
		200	T2	T3	T4
$\frac{n（{H}_{2}0）}{n（C0）}$	1	1.70	2.73	6.00	7.85
	3	0.21	0.30	0.84	1.52
	5	0.02	0.06	0.43	0.80

①T₂、T₃、T₄的大小关系为T₂＜T₃＜T₄，判断的理由是该反应正向为放热反应，在其他条件不变的条件下，升高温度，平衡逆向移动，CO的体积分数会增大，所以T₂＜T₃＜T₄．
②维持温度不变，若要使CO的转化率升高，可以改变的条件是加水/增大H₂O和CO投料比/减小生成物浓度（分离出产物）．
③温度为T₃℃、$\frac{n（{H}_{2}0）}{n（C0）}$=1时，变换后的平衡混合气体中H₂的体积分数是47.8%．

Answer 1

分析 （1）根据CO和H₂的燃烧热分别是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液态水变成水蒸气时要吸收2.44kJ的热量；可得①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1，
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8•mol ^-1，
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律①-②-③可得CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g），计算可得；
（2）正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆向移动，K值减小；
（3）设平衡时水蒸气的转化率为a，列三段式，根据图可知T₁℃时，K=1，代入K可得；
（4）根据化学平衡时，正逆反应速率相等，各组分浓度保持不变判断；
（5）①该反应是放热反应，根据温度对化学平衡的影响判断；
②维持温度不变，要使CO的转化率升高，可用加水/增大H₂O和CO投料比/减小生成物浓度（分离出产物）；
③该反应是气体体积不变的反应，设反应前气体总体积为VL，计算出反应前CO、二氧化碳的体积；$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=1，则加入水蒸气的体积与CO的体积相等，从而得出反应达到平衡时总体积；然后根据反应方程式、达到平衡时CO的体积分数计算出反应生成氢气的体积，再计算出氢气的体积分数．

解答 解：（1）根据CO和H₂的燃烧热分别是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液态水变成水蒸气时要吸收2.44kJ的热量；可得①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1，
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8•mol ^-1，
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ•mol^-1，
根据盖斯定律①-②-③可得CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）△H=-41.12  kJ/mol； 
故答案为：CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）△H=-41.12  kJ/mol；
（2）正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆向移动，K值减小，曲线为B；
故答案为：B；正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆向移动，K值减小；
（3）容积固定为5L的容器，设平衡时水蒸气的转化率为a，列三段式：
                        CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）
起始（mol/L）：0.6          0.4             0                0
转化（mol/L）：0.4a        0.4a           0.4a           0.4a
平衡（mol/L）：0.6-0.4a   0.4-0.4a     0.4a           0.4a
根据图可知T₁℃时，K=$\frac{0.4a×0.4a}{（0.6-0.4a）×（0.4-0.4a）}$=1，解得，a=0.6=60%；
故答案为：60%；
（4）反应 CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）：
a．该反应是气体体积不变，任何时刻容器内压强都一样，故a错误；
b．混合气体总质量不变，恒容容器体积不变，根据$ρ=\frac{m}{V}$混合气体的密度不改变，故b错误；
c．单位时间内生成a mol CO₂说明生成了a mol的H₂，同时消耗a molH₂，说明正逆反应速率相等，故c正确；
d．混合气中 n（CO）：n（H₂O）：n（CO₂）：n（H₂）=9：4：6：6，设容器体积为V，则此时Qc=$\frac{（6÷V）×（6÷V）}{（9÷V）×（4÷V）}$=1=K，反应在平衡状态，故d正确；
故答案为：c d；
（5）①该反应正向为放热反应，在其他条件不变的条件下，升高温度，平衡逆向移动，CO的体积分数会增大，所以T₂＜T₃＜T₄；
故答案为；T₂＜T₃＜T₄；该反应正向为放热反应，在其他条件不变的条件下，升高温度，平衡逆向移动，CO的体积分数会增大，所以T₂＜T₃＜T₄；
②维持温度不变，要使CO的转化率升高，可用加水/增大H₂O和CO投料比/减小生成物浓度（分离出产物）；
故答案为：加水/增大H₂O和CO投料比/减小生成物浓度（分离出产物）；
③反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）中，反应恰好气体的体积不变，则反应过程中气体的总体积不变，设反应前气体总体积为V，则CO的体积为30%VL=0.3VL，二氧化碳的体积为：10V%=0.1V，
由于$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=1，则加入的水蒸气的体积为30%V，反应达到平衡时气体总体积为：V+0.3V=1.3V，
温度为300℃达到平衡时CO的体积分数为6%，则反应消耗的CO=生成的H₂的体积=0.3V-1.3V×6%=0.222V，达到平衡时H₂的体积分数为$\frac{0.222V+0.4V}{1.3V}$×100%=47.8%；
故答案为：47.8%．

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．