Question

11．合成氨原料氣H₂可通過CO和水蒸氣在一定條件下反應制得．
（1）已知CO和H₂的燃燒熱分別是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液態(tài)水變成水蒸氣時要吸收2.44kJ的熱量；則該反應的熱化學方程式為CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.12kJ/mol；．
（2）該反應隨溫度升高正、逆反應平衡常數(shù)的變化曲線如圖所示，表示K_正的曲線為B（選填“A”或“B”），理由是正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆向移動，K值減小．
（3）T₁℃時，向容積固定為5L的容器中充入2mol水蒸氣和3molCO，發(fā)生上述反應達平衡，則平衡時水蒸氣的轉化率是60%（填字母）
（4）保持溫度為T₁℃，改變水蒸氣和CO的初始物質的量之比，充入恒容容器進行反應，下列描述能夠說明體系處于平衡狀態(tài)的是cd（填字母）
a．容器內壓強不隨時間改變
b．混合氣體的密度不隨時間改變
c．單位時間內生成a mol CO₂的同時消耗a molH₂
d．混合氣中 n（CO）：n（H₂O）：n（CO₂）：n（H₂）=9：4：6：6
（5）某工業(yè)合成氨的原料氣組成為：H₂40%、N₂20%、CO30%、CO₂10% （均為體積分數(shù)）．向上述原料氣中加入水蒸氣，以除去其中的CO．己知不同溫度下的反應物投料比[$\frac{n（{H}_{2}0）}{n（C0）}$]，平衡時混合氣體中CO的體積分數(shù)如表所示：

CO體積分數(shù)% 投料比		溫度/℃
		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的大小關系為T₂＜T₃＜T₄，判斷的理由是該反應正向為放熱反應，在其他條件不變的條件下，升高溫度，平衡逆向移動，CO的體積分數(shù)會增大，所以T₂＜T₃＜T₄．
②維持溫度不變，若要使CO的轉化率升高，可以改變的條件是加水/增大H₂O和CO投料比/減小生成物濃度（分離出產(chǎn)物）．
③溫度為T₃℃、$\frac{n（{H}_{2}0）}{n（C0）}$=1時，變換后的平衡混合氣體中H₂的體積分數(shù)是47.8%．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)CO和H₂的燃燒熱分別是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液態(tài)水變成水蒸氣時要吸收2.44kJ的熱量；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，
根據(jù)蓋斯定律①-②-③可得CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g），計算可得；
（2）正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆向移動，K值減��；
（3）設平衡時水蒸氣的轉化率為a，列三段式，根據(jù)圖可知T₁℃時，K=1，代入K可得；
（4）根據(jù)化學平衡時，正逆反應速率相等，各組分濃度保持不變判斷；
（5）①該反應是放熱反應，根據(jù)溫度對化學平衡的影響判斷；
②維持溫度不變，要使CO的轉化率升高，可用加水/增大H₂O和CO投料比/減小生成物濃度（分離出產(chǎn)物）；
③該反應是氣體體積不變的反應，設反應前氣體總體積為VL，計算出反應前CO、二氧化碳的體積；$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=1，則加入水蒸氣的體積與CO的體積相等，從而得出反應達到平衡時總體積；然后根據(jù)反應方程式、達到平衡時CO的體積分數(shù)計算出反應生成氫氣的體積，再計算出氫氣的體積分數(shù)．

解答 解：（1）根據(jù)CO和H₂的燃燒熱分別是283.0kJ/mol、285.8kJ/mol，lg液態(tài)水變成水蒸氣時要吸收2.44kJ的熱量；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，
根據(jù)蓋斯定律①-②-③可得CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）△H=-41.12  kJ/mol； 
故答案為：CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）△H=-41.12  kJ/mol；
（2）正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆向移動，K值減小，曲線為B；
故答案為：B；正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆向移動，K值減�。�
（3）容積固定為5L的容器，設平衡時水蒸氣的轉化率為a，列三段式：
                        CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）
起始（mol/L）：0.6          0.4             0                0
轉化（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
根據(jù)圖可知T₁℃時，K=$\frac{0.4a×0.4a}{（0.6-0.4a）×（0.4-0.4a）}$=1，解得，a=0.6=60%；
故答案為：60%；
（4）反應 CO（g）+H₂O（g）=CO₂ （g）+H₂ （g）：
a．該反應是氣體體積不變，任何時刻容器內壓強都一樣，故a錯誤；
b．混合氣體總質量不變，恒容容器體積不變，根據(jù)$ρ=\frac{m}{V}$混合氣體的密度不改變，故b錯誤；
c．單位時間內生成a mol CO₂說明生成了a mol的H₂，同時消耗a molH₂，說明正逆反應速率相等，故c正確；
d．混合氣中 n（CO）：n（H₂O）：n（CO₂）：n（H₂）=9：4：6：6，設容器體積為V，則此時Qc=$\frac{（6÷V）×（6÷V）}{（9÷V）×（4÷V）}$=1=K，反應在平衡狀態(tài)，故d正確；
故答案為：c d；
（5）①該反應正向為放熱反應，在其他條件不變的條件下，升高溫度，平衡逆向移動，CO的體積分數(shù)會增大，所以T₂＜T₃＜T₄；
故答案為；T₂＜T₃＜T₄；該反應正向為放熱反應，在其他條件不變的條件下，升高溫度，平衡逆向移動，CO的體積分數(shù)會增大，所以T₂＜T₃＜T₄；
②維持溫度不變，要使CO的轉化率升高，可用加水/增大H₂O和CO投料比/減小生成物濃度（分離出產(chǎn)物）；
故答案為：加水/增大H₂O和CO投料比/減小生成物濃度（分離出產(chǎn)物）；
③反應CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）中，反應恰好氣體的體積不變，則反應過程中氣體的總體積不變，設反應前氣體總體積為V，則CO的體積為30%VL=0.3VL，二氧化碳的體積為：10V%=0.1V，
由于$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$=1，則加入的水蒸氣的體積為30%V，反應達到平衡時氣體總體積為：V+0.3V=1.3V，
溫度為300℃達到平衡時CO的體積分數(shù)為6%，則反應消耗的CO=生成的H₂的體積=0.3V-1.3V×6%=0.222V，達到平衡時H₂的體積分數(shù)為$\frac{0.222V+0.4V}{1.3V}$×100%=47.8%；
故答案為：47.8%．

點評 本題考查了化學平衡、化學平衡常數(shù)的計算、影響化學反應速率、化學平衡的因素等知識，題目難度較大，試題涉及的知識點較多、綜合性較強，充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．