Question

15．實(shí)施以節(jié)約能源和減少?gòu)U氣排放為基本內(nèi)容的節(jié)能減排政策，是應(yīng)對(duì)全球氣候問(wèn)題、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇．化工行業(yè)的發(fā)展必須符合國(guó)家節(jié)能減排的總體要求．試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，回答下列問(wèn)題：
（1）已知某溫度下某反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（CO）•c（{H}_{2}）}$，所對(duì)應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g）．
（2）已知在一定溫度下，
①C（s）+CO₂（g）?2CO（g）△H₁=a kJ/mol        平衡常數(shù)K₁；
②CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₂=b kJ/mol      平衡常數(shù)K₂；
③C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₃                平衡常數(shù)K₃．
則K₁、K₂、K₃之間的關(guān)系是：K₃=K₁×K₂，△H₃=（a+b）kJ/mol（用含a、b的代數(shù)式表示）．
（3）煤化工通常通過(guò)研究不同溫度下平衡常數(shù)以解決各種實(shí)際問(wèn)題．已知等體積的一氧化碳和水蒸氣進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），該反應(yīng)平衡常數(shù)隨溫度的變化如表所示：

溫度/℃	400	500	800
平衡常數(shù)K	9.94	9	1

該反應(yīng)的正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”），若在500℃時(shí)進(jìn)行，設(shè)起始時(shí)CO和H₂O的起始濃度均為0.020mol•L^-1，在該條件下，CO的平衡轉(zhuǎn)化率為：75%．
（4）在催化劑存在條件下反應(yīng)：H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g），CO轉(zhuǎn)化率隨蒸氣添加量的壓強(qiáng)比及溫度變化關(guān)系如圖1所示：

對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡分壓強(qiáng)（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_p），則該反應(yīng)的K_p=$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$，提高p[H₂O（g）]/p（CO）比，則K_p不變（填“變大”、“變小”或“不變”）．實(shí)際上，在使用鐵鎂催化劑的工業(yè)流程中，一般采用400℃左右、p[H₂O（g）]/p（CO）=3～5．其原因可能是投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5時(shí)轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達(dá)到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟(jì)上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右．
（5）工業(yè)上可利用原電池原理除去工業(yè)尾氣中的CO并利用其電能，反應(yīng)裝置如圖2所示，請(qǐng)寫(xiě)出負(fù)極的電極反應(yīng)式：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．

Answer 1

分析 （1）平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，平衡常數(shù)中，分子為生成物，分母為反應(yīng)物和質(zhì)量恒定律分析解題；
（2）根據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式推斷；應(yīng)用蓋斯定律來(lái)求△H₃；
（3）平衡常數(shù)隨溫度的變化來(lái)判斷正反應(yīng)方向是吸熱還是放熱，應(yīng)用三行式結(jié)合平衡常數(shù)來(lái)求轉(zhuǎn)化率；
（4）將化學(xué)平衡常數(shù)中的濃度c換成壓強(qiáng)P就可以得到K_P；根據(jù)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度無(wú)關(guān)；投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，投料比太高，經(jīng)濟(jì)上不合算以及考慮催化劑的活性來(lái)解答；
（5）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)．

解答 解：（1）平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，平衡常數(shù)中，分子為生成物，分母為反應(yīng)物，再結(jié)合元素守恒，生成物中應(yīng)有碳元素，在平衡常數(shù)表達(dá)式中沒(méi)有，則說(shuō)明是碳固體單質(zhì)，所以該反應(yīng)的方程式為CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g），
故答案為：CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g）；
（2）根據(jù)化學(xué)方程式可知：K₁=$\frac{c{\;}^{2}（CO）}{c（CO{\;}_{2}）}$，K₂=$\frac{c（H{\;}_{2}）×c（CO{\;}_{2}）}{c（CO）×c（H{\;}_{2}O）}$，K₃=$\frac{c（CO）×c（H{\;}_{2}）}{c（H{\;}_{2}O）}$，所以：K₃=K₁×K₂；由①+②可得方程式C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），所以△H₃=（a+b）kJ/mol，
故答案為：K₃=K₁×K₂；（a+b）kJ/mol；
（3）由圖可知溫度越高K值越小，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
對(duì)于反應(yīng)     CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
開(kāi)始（mol/L）：0.02  0.02        0      0
變化（mol/L）：c     c          c      c
平衡（mol/L）：0.02-c 0.02-c     c      c
所以$\frac{c×c}{（0.02-c）×（0.02-c）}$=9，解得c=0.015
所以CO的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案為：放熱；75%；
（4）對(duì)于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強(qiáng)（p_B）代替物質(zhì)的量濃度也可以表示平衡常數(shù)（記作K_p），反應(yīng)的平衡常數(shù)=$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度無(wú)關(guān)，所以提高$\frac{H{\;}_{2}O（g）}{CO}$比，則K_P不變；由圖象可知，投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5：1時(shí)轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達(dá)到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟(jì)上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右，所以一般采用400℃左右，H₂O（氣）：CO=3～5；
故答案為：$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$；不變；投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5時(shí)轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達(dá)到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟(jì)上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右；
（5）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，
故答案為：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了反應(yīng)的平衡常數(shù)和蓋斯定律、圖象分析判斷的方法、平衡三段法的計(jì)算、原電池原理的分析判斷和電極反應(yīng)的分析判斷，掌握基礎(chǔ)是解題的關(guān)鍵，題目難度中等．