Question

15．实施以节约能源和减少废气排放为基本内容的节能减排政策，是应对全球气候问题、建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择．化工行业的发展必须符合国家节能减排的总体要求．试运用所学知识，回答下列问题：
（1）已知某温度下某反应的化学平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（CO）•c（{H}_{2}）}$，所对应的化学反应方程式为：CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g）．
（2）已知在一定温度下，
①C（s）+CO₂（g）?2CO（g）△H₁=a kJ/mol        平衡常数K₁；
②CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₂=b kJ/mol      平衡常数K₂；
③C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₃                平衡常数K₃．
则K₁、K₂、K₃之间的关系是：K₃=K₁×K₂，△H₃=（a+b）kJ/mol（用含a、b的代数式表示）．
（3）煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题．已知等体积的一氧化碳和水蒸气进入反应器时，发生如下反应：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），该反应平衡常数随温度的变化如表所示：

温度/℃	400	500	800
平衡常数K	9.94	9	1

该反应的正反应方向是放热反应（填“吸热”或“放热”），若在500℃时进行，设起始时CO和H₂O的起始浓度均为0.020mol•L^-1，在该条件下，CO的平衡转化率为：75%．
（4）在催化剂存在条件下反应：H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g），CO转化率随蒸气添加量的压强比及温度变化关系如图1所示：

对于气相反应，用某组分（B）的平衡分压强（P_B）代替物质的量浓度（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_p），则该反应的K_p=$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$，提高p[H₂O（g）]/p（CO）比，则K_p不变（填“变大”、“变小”或“不变”）．实际上，在使用铁镁催化剂的工业流程中，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的转化率不太高，而投料比3～5时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右．
（5）工业上可利用原电池原理除去工业尾气中的CO并利用其电能，反应装置如图2所示，请写出负极的电极反应式：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．

Answer 1

分析 （1）平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，平衡常数中，分子为生成物，分母为反应物和质量恒定律分析解题；
（2）根据平衡常数的表达式推断；应用盖斯定律来求△H₃；
（3）平衡常数随温度的变化来判断正反应方向是吸热还是放热，应用三行式结合平衡常数来求转化率；
（4）将化学平衡常数中的浓度c换成压强P就可以得到K_P；根据平衡常数只与温度有关，与浓度无关；投料比太低，CO的转化率不太高，投料比太高，经济上不合算以及考虑催化剂的活性来解答；
（5）负极发生氧化反应．

解答 解：（1）平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，平衡常数中，分子为生成物，分母为反应物，再结合元素守恒，生成物中应有碳元素，在平衡常数表达式中没有，则说明是碳固体单质，所以该反应的方程式为CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g），
故答案为：CO（g）+H₂（g）?C（s）+H₂O（g）；
（2）根据化学方程式可知：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，
故答案为：K₃=K₁×K₂；（a+b）kJ/mol；
（3）由图可知温度越高K值越小，说明正反应为放热反应，
对于反应     CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
开始（mol/L）：0.02  0.02        0      0
变化（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的转化率为$\frac{0.015mol/L}{0.02mol/L}$×100%=75%，
故答案为：放热；75%；
（4）对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（p_B）代替物质的量浓度也可以表示平衡常数（记作K_p），反应的平衡常数=$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$；平衡常数只与温度有关，与浓度无关，所以提高$\frac{H{\;}_{2}O（g）}{CO}$比，则K_P不变；由图象可知，投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5：1时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右，所以一般采用400℃左右，H₂O（气）：CO=3～5；
故答案为：$\frac{P（CO{\;}_{2}）P（H{\;}_{2}）}{P（CO）P（H{\;}_{2}O）}$；不变；投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右；
（5）负极发生氧化反应，CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂，
故答案为：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂．

点评 本题考查了反应的平衡常数和盖斯定律、图象分析判断的方法、平衡三段法的计算、原电池原理的分析判断和电极反应的分析判断，掌握基础是解题的关键，题目难度中等．