Question

【題目】CO、H2是煤的氣化產(chǎn)物，在生產(chǎn)生活中用途廣泛。

（1）CO還原法處理大氣污染物SO2

①2CO（g） + SO2（g） S（s）+2CO2（g） H = -270 kJ·mol－1，該反應的平衡常數(shù)表達式為__。

②在絕熱恒容的密閉容器中進行上述反應，下列說法正確的是_____。

a 若混合氣體密度保持不變，則已達平衡狀態(tài)

b 達平衡后若再充人一定量CO2，平衡常數(shù)保持不變

c 分離出部分S，正、逆反應速率均保持不變，平衡不移動

d 從反應開始到平衡，容器內(nèi)氣體的壓強保持不變

③向2 L恒溫恒容密閉容器中通人2 mol CO、1 mol SO2，分別進行a、b、c三組實驗。在不同催化劑件下發(fā)生反應：2CO（g） + SO2（g） S（s）+2CO2（g） H = -270 kJ·mol－1，反應體系總壓隨時間的變化如下表所示，則三組實驗溫度的大小關(guān)系是_____（用a、b、c表示），實驗a從反應開始至45s達到平衡，則該過程反應速率v（SO2）__________（結(jié)果保留2位有效數(shù)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可制備天然氣，主要反應為：

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 。

回答下列問題：

①反應CO2（g） + 4H2（g） CH4（g） + 2H2O（l） 的H4 = ________ kJ·mol－1。某溫度下，分別在起始容積相同的恒壓容器A、恒容容器B中加人1molCO2和4molH2的混合氣體，兩容器反應達到平衡后放出或吸收的熱量較多的是__（ 填“A”或“B"）。

②在恒壓管道反應器中按n（H2）:n（CO） = 3:1通入原料氣，在催化劑作用下制備合成天然氣，400 ℃ p總為100 kPa時反應體系平衡組成如下表所示：

組分	CH4	H2O	H2	CO2	CO
體積分數(shù)/%	45.0	42.5	10.0	1.50	1.00

則該條件下CO的總轉(zhuǎn)化率α=____。

③制備合成天然氣采用在原料氣中通入水蒸氣來緩解催化劑積碳。

積碳反應為：反應I ：CH4（g） C（s） + 2H2（g） H = +75 kJ·mol－1；

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

平衡體系中水蒸氣濃度對積碳量的影響如圖所示，下列說法正確的是__。

A 曲線1在700 ~ 800℃積碳量減小的原因可能是反應Ⅱ逆向移動

B 曲線1在550 ~700℃積碳量增大的原因可能是反應I、Ⅱ的速率增大

C 曲線2、3在550 ~800℃積碳量較低的原因是水蒸氣稀釋作用使積碳反應速率減小

D 水蒸氣能吸收反應放出的熱量，降低體系溫度至550℃以下，有利于減少積碳

Answer 1

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

【解析】

(1) ①平衡常數(shù)直接根據(jù)表達式得出答案；②氣相為主的反應中，固相物質(zhì)的濃度項不列入反應的平衡常數(shù)表達式，結(jié)合常用判斷化學平衡的方法判斷化學反應是否達到平衡，據(jù)此逐項分析；③理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，結(jié)合表格數(shù)據(jù)，可以比較出溫度大�。挥嬎惴磻�速率，要計算出過程中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 。

將方程式①-②-2x③得CO2（g） + 4H2（g） CH4（g） + 2H2O（l），△H進行相應的改變；A為恒溫恒壓、B為恒溫恒容條件，如果是恒溫恒容，反應前后物質(zhì)的量減小、壓強減小，開始時AB壓強相等，B中壓強逐漸減小A中壓強不變，所以反應過程中壓強A>B，增大壓強平衡正向移動。
②設n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒容恒溫條件下氣體的體積分數(shù)之比等于物質(zhì)的量分數(shù)之比，設平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為x mol，根據(jù)C原子守恒得，得x=2.11，則CO的轉(zhuǎn)化率=，該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動；

③A．反應II的逆反應是消碳反應；B．反應I、II的正反應都是積碳反應；C．高溫條件下水蒸氣和C反應生成CO和氫氣；D．溫度至550℃以下，幾乎沒有積碳。

(1) ①平衡常數(shù)表達式，故答案為：；

②絕熱恒容的密閉容器進行可以反應，

a. 混合氣體密度為ρ=m/v，恒容容器容積V不變，反應前后氣體的質(zhì)量發(fā)生改變，則當反應到達平衡時，氣體總質(zhì)量m不變，因此若混合氣體密度保持不變可以說明反應已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，可知a正確；

b. 充人一定量CO2，反應移向移動，吸熱，容器絕熱，溫度降低，平衡常數(shù)保持變化，b錯誤；

c.固體不影響平衡反應進行，故都不變，c正確；

d. 反應達到平衡前后，氣體總物質(zhì)的量發(fā)生改變，則體系壓強改變，d錯誤；

ac正確，故答案為：a c；

③體系c和體系b反應起始時和平衡時的壓強都相等，則二者平衡常數(shù)相同，體系c和體系b的溫度相等，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，初始時刻壓強a>b，則實驗溫度a>b，因此三組實驗溫度的關(guān)系是a>b=c，故答案為：a>b=c；

實驗a從反應開始至平衡時，壓強由175kPa改變至140kPa，設反應過程轉(zhuǎn)化了xmol SO2，由理想氣體狀態(tài)方程可知，壓強與氣體總物質(zhì)的量成正比，所以有，解得x=0.6mol，則反應速率，故答案為：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 。

將方程式①-②-2x③得CO2（g） + 4H2（g） CH4（g） + 2H2O（l），△H=-253.2 kJ·mol－1，；A為恒溫恒壓、B為恒溫恒容條件，如果是恒溫恒容，反應前后物質(zhì)的量減小、壓強減小，開始時AB壓強相等，B中壓強逐漸減小A中壓強不變，所以反應過程中壓強A>B，增大壓強平衡正向移動，故答案為：-253.2；A；
②設n（H2）=3mol、n（CO）=1mol，恒容恒溫條件下氣體的體積分數(shù)之比等于物質(zhì)的量分數(shù)之比，設平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為x mol，根據(jù)C原子守恒得，得x=2.11，則CO的轉(zhuǎn)化率=，該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動；

③A．反應II的逆反應是消碳反應，曲線1在700-800℃積碳量減小的原因可能是反應Ⅱ逆向移動，且反應II的消碳量大于反應I的積碳量，故A正確；
B．反應I、II的正反應都是積碳反應，曲線1在550-700℃時兩個反應沒有達到平衡狀態(tài)，都向正反應方向移動，導致積碳量增加，故B錯誤；
C．高溫條件下水蒸氣和C反應生成CO和氫氣，從而使積碳量減少，故C錯誤；
D．溫度至550℃以下，幾乎沒有積碳，所以水蒸氣能吸收反應放出的熱量，降低體系溫度至550℃以下，有利于減少積碳，故D正確；
故選AD。