Question

16．高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，主要成分為N₂、CO、CO₂、H₂O等，其中可燃成分CO含量約占25%左右，CO₂、N₂的含量分別占15%、55%．回答下列問題：
（1）上述提及的氣體分子中，電子數相等的兩種氣體是N₂、CO（寫化學式）．
（2）高爐煤氣中CO具有較高的利用價值，可以與H₂合成甲烷，已知有關反應的熱化學方程式如下：
①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ/mol
則CO（g）+2H₂（g）=CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=+35.7kJ/mol．
（3）高爐煤氣中N₂的含量較高，利用CO前需要對CO 進行富集，實現CO和N₂的分離．
①工業上常采用醋酸亞銅氨溶液來吸收CO，該反應的熱化學方程式CH₃COOCu（NH₃）₂（aq）+CO（g）═CH₃COOCu（NH₃）2•CO（aq）△H＜0．吸收CO后的溶液經過適當處理可恢復為醋酸亞銅氨溶液，從而實現CO與吸收液的分離，分離過程可采取的措施有升溫或減壓（寫出一種即可）．
②到目前為止，CO吸附劑的開發大多數以亞銅為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓吸附（PSA）方式在含N2體系中脫出CO．圖是變壓吸附回收高爐煤氣中CO的流程圖：

PSA-I吸附CO₂時間對PSA-II中CO回收率的影響見下圖，由此可見，為了保證載體亞銅吸附劑對CO的吸附和提純要求，應采取的措施是盡量在PSA-I中將CO₂脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間），“放空氣體”的主要成分為氮氣．
（4）高爐煉鐵過程中發生的主要反應為Fe₂O₃（s）+3CO（g）═2Fe （s）+3CO₂（g）．該反應在不同溫度下的平衡常數如表所示：

溫度/℃	1000	1115	1300
平衡常數	4.0	3.7	3.5

①該反應的△H＜0（填“＞““＜”或“=“）．
②欲提高上述反應中CO 的轉化率，可采取的措施是ab．
a．適當降低反應體系的溫度        
b．及時移出體系中的CO
c．加入合適的催化劑             
 d．減小容器的容積
e．增大Fe₂O₃的量．

Answer 1

分析 （1）N₂、CO、CO₂、H₂O中的電子數分別為14、14、22和10個；
（2）根據蓋斯定律來分析；
（3）①吸收CO后的溶液經過適當處理又可以重新生成醋酸亞銅氨，平衡逆向進行，結合平衡移動原理分析；
②CO吸附劑的開發大多數以銅（+1）為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓吸附（PSA）方式在含N₂體系中脫出CO，圖象方向可知時間越長CO回收率越高；
（4）①溫度越高，該反應的平衡常數越小；
②a．適當降低反應體系的溫度，平衡右移；    
b．及時移出體系中的CO₂，平衡右移；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動；          
 d．減小容器的容積，平衡不移動；
e．增大Fe₂O₃的量，平衡不移動．

解答 解：（1）N₂、CO、CO₂、H₂O中的電子數分別為14、14、22和10個，故氮氣和CO為等電子體，故答案為：N₂、CO；
（2）已知反應①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ/mol
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ/mol
根據蓋斯定律可知，將①×2+②-③可得：CO（g）+2H₂（g）=CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）△H=（-285.8kJ/mol）×2+（-283.0kJ/mol）-（-890.3kJ/mol）=+35.7KJ/mol，故答案為：+35.7；
（3）①CH₃COOCu（NH₃）₂ （aq）+CO（g）?CH₃COOCu（NH₃）₂•CO（aq）△H＜0，反應是氣體體積減小的放熱反應，故升高溫度或減小壓強均可以使平衡左移從而實現CO與吸收液的分離，故答案為：升溫或減壓；
②CO吸附劑的開發大多數以銅（+1）為活性組分負載在各種載體上，然后采用變壓吸附（PSA）方式在含N₂體系中脫出CO，圖象方向可知時間越長CO回收率越高，為了保證載銅吸附劑對CO的吸附和提純要求，應采取的措施是盡量在PSA-I中將CO₂ 脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間）；放空氣體”的主要成分為氮氣．
故答案為：盡量在PSA-I中將CO₂ 脫除（保證PSA-I吸附CO₂的時間）；氮氣；
（4）①溫度越高，該反應的平衡常數越小，故升高溫度，平衡左移，則反應放熱，即△H小于0，故答案為：＜；
②a．適當降低反應體系的溫度，平衡右移，則CO的平衡轉化率提高，故a正確；  
b．及時移出體系中的CO₂，平衡右移，則CO的平衡轉化率提高，故b正確；
c．加入合適的催化劑，平衡不移動，CO的平衡轉化率不變，故c錯誤；   
 d．由于此反應是個氣體的物質的量不變的反應，故減小容器的容積，平衡不移動，CO的平衡轉化率不變，故d錯誤； 
e．由于氧化鐵為固體，故增大Fe₂O₃的量，平衡不移動，則CO的平衡轉化率不變，故e錯誤．
故選ab．

點評 本題考查了平衡的移動和蓋斯定律的有關應用，綜合性較強，難度適中，應注意的是催化劑只能加快反應速率，不能使平衡發生移動，故不能提高物質的轉化率．