Question

CO、H₂是煤的气化产物，在生产生活中用途广泛。

（1）CO还原法处理大气污染物SO₂

①2CO（g） + SO₂（g） S（s）+2CO₂（g）  ∆H = -270 kJ·mol^－1，该反应的平衡常数表达式为__。

②在绝热恒容的密闭容器中进行上述反应，下列说法正确的是_____。

a 若混合气体密度保持不变，则已达平衡状态       

b 达平衡后若再充人一定量CO₂，平衡常数保持不变

c 分离出部分S，正、逆反应速率均保持不变，平衡不移动

d 从反应开始到平衡，容器内气体的压强保持不变

③向2 L恒温恒容密闭容器中通人2 mol CO、1 mol SO₂，分别进行a、b、c三组实验。在不同催化剂件下发生反应：2CO（g） + SO₂（g） S（s）+2CO₂（g） ∆H = -270 kJ·mol^－1，反应体系总压随时间的变化如下表所示，则三组实验温度的大小关系是_____（用a、b、c表示），实验a从反应开始至45s达到平衡，则该过程反应速率v（SO₂）__________（结果保留2位有效数字）。

	0s	40s	45s	60s
a	175	142	140	140
b	160	120	120	120
c	160	130	125	120

（2）利用CO、H₂可制备天然气，主要反应为：

CO（g） + 3H₂（g） CH₄（g） + H₂O（g）  ∆H₁=-206.2 kJ·mol^－1；

CO（g） + H₂O（g） CO₂（g） + H₂（g）  ∆H₂ = -41.0 kJ·mol^－1；

H₂O（l） ═H₂O（g）  ∆H₃ =+44 kJ·mol^－1 。

回答下列问题：

①反应CO₂（g） + 4H₂（g） CH₄（g） + 2H₂O（l） 的∆H₄ = ________ kJ·mol^－1。某温度下，分别在起始容积相同的恒压容器A、恒容容器B中加人1molCO₂和4molH₂的混合气体，两容器反应达到平衡后放出或吸收的热量较多的是__（ 填“A”或“B"）。

②在恒压管道反应器中按n（H₂）:n（CO） = 3:1通入原料气，在催化剂作用下制备合成天然气，400 ℃ p_总为100 kPa时反应体系平衡组成如下表所示：

组分	CH4	H2O	H2	CO2	CO
体积分数/%	45.0	42.5	10.0	1.50	1.00

则该条件下CO的总转化率α=____。

③制备合成天然气采用在原料气中通入水蒸气来缓解催化剂积碳。

积碳反应为：反应I ：CH₄（g） C（s） + 2H₂（g）  ∆H = +75 kJ·mol^－1；

反应Ⅱ：2CO（g） C（s） + CO₂（g）  ∆H = -172 kJ·mol^－1，

平衡体系中水蒸气浓度对积碳量的影响如图所示，下列说法正确的是__。

A 曲线1在700 ~ 800℃积碳量减小的原因可能是反应Ⅱ逆向移动

B 曲线1在550 ~700℃积碳量增大的原因可能是反应I、Ⅱ的速率增大

C 曲线2、3在550 ~800℃积碳量较低的原因是水蒸气稀释作用使积碳反应速率减小

D 水蒸气能吸收反应放出的热量，降低体系温度至550℃以下，有利于减少积碳

Answer

a c a>b=c 0.0067 mol/（L·s） -253.2 A 97.9% AD

【解析】

(1) ①平衡常数直接根据表达式得出答案；②气相为主的反应中，固相物质的浓度项不列入反应的平衡常数表达式，结合常用判断化学平衡的方法判断化学反应是否达到平衡，据此逐项分析；③理想气体状态方程PV=nRT，结合表格数据，可以比较出温度大小；计算反应速率，要计算出过程中SO2的消耗量即可。

(2) ①①CO（g） + 3H2（g） CH4（g） + H2O（g） ∆H1=-206.2 kJ·mol－1；

②CO（g） + H2O（g） CO2（g） + H2（g） ∆H2 = -41.0 kJ·mol－1；

③H2O（l） ═H2O（g） ∆H3 =+44 kJ·mol－1 。

将方程式①-②-2x③得CO2（g） + 4H2（g） CH4（g） + 2H2O（l），△H进行相应的改变；A为恒温恒压、B为恒温恒容条件，如果是恒温恒容，反应前后物质的量减小、压强减小，开始时AB压强相等，B中压强逐渐减小A中压强不变，所以反应过程中压强A>B，增大压强平衡正向移动。
②设n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒容恒温条件下气体的体积分数之比等于物质的量分数之比，设平衡时混合气体总物质的量为x mol，根据C原子守恒得，得x=2.11，则CO的转化率=，该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动；

③A．反应II的逆反应是消碳反应；B．反应I、II的正反应都是积碳反应；C．高温条件下水蒸气和C反应生成CO和氢气；D．温度至550℃以下，几乎没有积碳。

(1) ①平衡常数表达式，故答案为：；

②绝热恒容的密闭容器进行可以反应，

a. 混合气体密度为ρ=m/v，恒容容器容积V不变，反应前后气体的质量发生改变，则当反应到达平衡时，气体总质量m不变，因此若混合气体密度保持不变可以说明反应已经达到平衡状态，可知a正确；

b. 充人一定量CO2，反应移向移动，吸热，容器绝热，温度降低，平衡常数保持变化，b错误；

c.固体不影响平衡反应进行，故都不变，c正确；

d. 反应达到平衡前后，气体总物质的量发生改变，则体系压强改变，d错误；

ac正确，故答案为：a c；

③体系c和体系b反应起始时和平衡时的压强都相等，则二者平衡常数相同，体系c和体系b的温度相等，根据理想气体状态方程，初始时刻压强a>b，则实验温度a>b，因此三组实验温度的关系是a>b=c，故答案为：a>b=c；

实验a从反应开始至平衡时，压强由175kPa改变至140kPa，设反应过程转化了xmol SO2，由理想气体状态方程可知，压强与气体总物质的量成正比，所以有，解得x=0.6mol，则反应速率，故答案为：0.0067 mol/（L·s）；

(2) ①①CO（g） + 3H2（g） CH4（g） + H2O（g） ∆H1=-206.2 kJ·mol－1；

②CO（g） + H2O（g） CO2（g） + H2（g） ∆H2 = -41.0 kJ·mol－1；

③H2O（l） ═H2O（g） ∆H3 =+44 kJ·mol－1 。

将方程式①-②-2x③得CO2（g） + 4H2（g） CH4（g） + 2H2O（l），△H=-253.2 kJ·mol－1，；A为恒温恒压、B为恒温恒容条件，如果是恒温恒容，反应前后物质的量减小、压强减小，开始时AB压强相等，B中压强逐渐减小A中压强不变，所以反应过程中压强A>B，增大压强平衡正向移动，故答案为：-253.2；A；
②设n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒容恒温条件下气体的体积分数之比等于物质的量分数之比，设平衡时混合气体总物质的量为x mol，根据C原子守恒得，得x=2.11，则CO的转化率=，该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动；

③A．反应II的逆反应是消碳反应，曲线1在700-800℃积碳量减小的原因可能是反应Ⅱ逆向移动，且反应II的消碳量大于反应I的积碳量，故A正确；
B．反应I、II的正反应都是积碳反应，曲线1在550-700℃时两个反应没有达到平衡状态，都向正反应方向移动，导致积碳量增加，故B错误；
C．高温条件下水蒸气和C反应生成CO和氢气，从而使积碳量减少，故C错误；
D．温度至550℃以下，几乎没有积碳，所以水蒸气能吸收反应放出的热量，降低体系温度至550℃以下，有利于减少积碳，故D正确；
故选AD。