Question

（14分）工业上由焦炭或夭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=-41.0 kJ·mol^-l    .

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）在773K时，一氧化碳发生反应的平衡常数K=9，如反应开始时CO和H₂O的浓度都是0.020·mol^-l ，则在此反应条件下一氧化碳的转化率为        。

（3）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，以除去其中的CO。已知不同温度及反应物投料比（）下，变换后平衡混合气体中CO的体积分数如下表所示：

CO的体积分数/%     投料比 温度/℃	=1	=3	=5
200	1.70	0.21	0.02
250	2.73	0.30	0.06
300	6.00	0.84	0.43
350	7.85	1.52	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℃、=1时，反应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）o

Answer

（1），>；（2）75%；（3）①降低温度、增大反应物投料比（或原料气中水蒸气的比例）；②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（或催化剂活性高、速率和平衡均衡等）；③24.8%。

【解析】

试题分析：（1）化学平衡常数是可逆反应达到平衡状态时各种生成物浓度幂之积与各种反应物浓度幂之积的比。则该反应的平衡常数表达式：K=；由于该反应的正反应是放热反应，所以在其它条件不变时，升高温度，平衡向吸热的逆反应方向移动，所以K ( 200℃ )>K ( 300℃ )；（2）在773K时，一氧化碳发生反应的平衡常数K=9，如反应开始时CO和H2O的浓度都是0.020·mol-l ，假如CO改变浓度是x，则反应达到平衡时，各种物质的平衡浓度分别是：c(CO)=c(H2O)=(0.02-x)mol/L；c(CO2)=c(H2)=x，则根据平衡常数的含义可得：x2÷(0.02-x)2=9，解得x=0.015mol/L，所以在此反应条件下一氧化碳的转化率为(0.015mol/L÷0.02mol/L)×100%=75%；①从表中数据可以得到的结论是：温度越低，CO的平衡含量越低；反应物投料比n(H2O):n(CO)越高，CO的平衡含量越低；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，可改变的条件是降低温度、增大反应物投料比（或原料气中水蒸气的比例）；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，其原因是提高温度，提高反应速率，但是由于该反应的正反应是放热反应，升高温度会但平衡逆向移动，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同时由于该反应使用了催化剂，任何催化剂都有一定的催化活性，在某一温度时催化活性最强。（或催化剂活性高、速率和平衡均衡等）；③假设原混合气体的体积为100L，则其中含有H2 40L； N2 20L；CO 30L;CO210L，由于=1，所以再加入H2O的体积为30L，假设在反应过程中反应的CO的体积为x，则平衡时，V(CO)=V(H2O)=(30-x)L，V(CO2)=(10+x)L；V(H2)=(40+x)L，该反应是反应前后气体体积不变的反应，由于在温度为300℃、，反应后的平衡混合气体中CO的体积分数是6%，所以[(30-x)÷(100+30)]×100%=6%，解得x=22.2L，所以平衡时CO2的体积分数是[（22.2+10）÷(100+30)]×100%=24.8%。

考点：考查化学反应速率、化学平衡及物质的转化率、平衡含量的计算的知识。