Question

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=

 

．
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

 

（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，测得该反应实际放出的热量为32.8kJ，迅速导出热量，保持环境温度不变，该时间范围内反应的平均速率ν （CO ）=

 

；平衡常数K的数值为

 

．
（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（

n(H2O)

n(CO)

）QUOTE下，变换后平衡混合气体中CO的体积分数如下表所示：

	=1	=3	=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

 

、

 

．
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

 

．
③温度为300℃、

n(H2O)

n(CO)

=1时，变换后的平衡混合气体中CO₂的体积分数是

 

（结果保留3位有效数字）．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,化学平衡建立的过程,化学平衡的影响因素

专题：化学平衡专题

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=

△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=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

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；
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；

n(H2O)

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二氧化碳的体积，再计算出二氧化碳的体积分数．

解答： 解：（1）反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的平衡常数表达式为：K=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

；
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：

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

；＞；
（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=

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）测得该反应实际放出的热量为32.8kJ，则反应消耗的CO的物质的量为：n（CO）=

32.8kJ

41kJ/mol

=0.8mol，
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 ）=

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=

c(CO2)?c(H2)

c(CO)?c(H2O)

=

0.2 10 × 3.2 10

0.8 10 × 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；
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

n(H2O)

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=生成的二氧化碳的体积=0.3V-1.3V×6%=0.222V，
达到平衡时二氧化碳的体积分数为：

0.1V+0.222V

1.2V

×100%=24.8%，
故答案为：24.8%．

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．