Question

6．工業上由焦炭或天然氣制氫氣的過程中會產生一氧化碳．為了除去氫氣中混有的一氧化碳，可在催化劑存在的條件下發生反應：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol
該反應在工業上被稱為“一氧化碳變換”反應．
（1）在一個容積為1L的密閉容器中加入1molCO和3molH₂O（g），發生上述反應，5min后達到平衡，測得該反應實際放出的熱量為20.5kJ，迅速導出熱量，保持容器中溫度不變．則該時間范圍內反應的平均速率ν（CO）=0.1mol/（L•min）；平衡常數K的數值為0.2．
（2）某工業合成氨的原料氣組成為：H₂ 40%、N₂ 20%、CO 30%、CO₂10%（均為體積分數）．
現采用“一氧化碳變換”法，向上述原料氣中加入水蒸氣，將其中的CO除去．已知不同溫度
及反應物投料比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$）下，變換反應后平衡混合氣體中CO的體積分數如下表所示：

溫度/℃\CO的體積分數%\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平衡混合氣體中CO的體積分數越大，則CO的平衡轉化率越小（填“大”或“小”）．
②從該反應的化學方程式分析，反應物投料比（$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$）越大，CO的平衡轉化率越大（填
“大”或“小”），與上表中的數據分析結果相符（填“相符”或“不符”）．根據對上表的分析，為提高CO平衡轉化率，還可以采取的措施是降低溫度．
③不同溫度下該反應K值：K（300℃）＜K（200℃）（填“＞”、“=”或“＜”）．
④溫度是一氧化碳變換工藝中最重要的條件，實際生產過程中將溫度控制在300℃左右，其原因是升高溫度，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的平衡轉化率下降，實際生產中應綜合考慮速率和平衡兩個方面．

Answer 1

分析 （1）根據反應速率v=$\frac{△c}{△t}$計算出二氧化碳的反應速率；根據三段式計算出達到平衡時各組分的濃度，根據根據K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$計算出平衡常數；
（2）①利用控制變量法，根據表中數據判斷溫度、反應物投料比對CO的體積分數的影響分析，由表中數據可知，溫度一定時，反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越大；
②由表中數據可知，溫度一定時，反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越大，反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$一定時，溫度越低，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越高，所以降低溫度，增大反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$或原料氣中水蒸氣的比例；
③正反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，平衡常數減小；
④從反應速率、平衡移動等進行分析解答，盡管提高溫度，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的轉化率下降，實際生產過程中應該綜合考慮速率和平衡兩個方面；

解答 解：（1）測得該反應實際放出的熱量為20.5kJ，則反應消耗的CO的物質的量為：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
轉化：0.5mol    0.5mol  0.5mol   0.5mol
平衡  0.5mol   2.5mol   0.5mol   0.5mol
該時間范圍內反應的平均速率ν （CO ）=$\frac{\frac{0.5mol}{1L}}{5min}$=0.1 mol•L^-1•min^-1；
該溫度下該反應的平衡常數為：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；
故答案為：0.1 mol/（L•min），0.2；
（2）①由表中數據可知，溫度一定時，反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越大，平衡混合氣體中CO的體積分數越大，則CO的平衡轉化率越小；
故答案為：小；
②由表中數據可知，溫度一定時，反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$越大，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越大，與上表中的數據分析結果相符；反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$一定時，溫度越低，平衡時CO的體積分數越小，CO的轉化率越高，所以降低溫度，增大反應物投料比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（CO）}$或原料氣中水蒸氣的比例，可以增大CO的轉化率，
故答案為：大，相符，降低溫度；
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ/mol，反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向進行，平衡常數減小，所以K（300℃）＜K（200℃）；
故答案為：＜；
④盡管提高溫度，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的轉化率下降，實際生產過程中應該綜合考慮速率和平衡兩個方面，選擇最佳溫度為300℃，
故答案為：提高溫度，會提高反應速率，但平衡逆向移動，CO的轉化率下降，實際生產過程中應該綜合考慮速率和平衡兩個方面；

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡常數計算、化學反應速率與化學平衡影響因素等，題目難度中等，較好的考查了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．