《2025年天星教育试题调研化学第9辑》

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原创预测 第十五届中国国际航空航天博览会于2024年11月12日至17日举行，以粉煤加压气化技术为核心的全新一代全废锅气化炉在航展上展出。粉煤加压气化技术广泛用于煤制甲醇、合成氨、合成油、制烯烃、制氢等领域。粉煤加压气化制氢时发生的主要反应如下：
Ⅰ. $ {C(s) + H_{2}O(g){＜=＞[][]}CO(g) + H_{2}(g)} $ $ \Delta H_{1} = +131.3 \ kJ · mol^{-1} $；
Ⅱ. $ {C(s) + 2H_{2}O(g){＜=＞[][]}CO_{2}(g) + 2H_{2}(g)} $ $ \Delta H_{2} = +90.3 \ kJ · mol^{-1} $；
Ⅲ. $ {CO(g) + H_{2}O(g){＜=＞[][]}CO_{2}(g) + H_{2}(g)} $ $ \Delta H_{3} $。
将足量的碳和 $ 2 \ mol \ {H_{2}O(g)} $ 充入一恒容密闭容器中发生上述反应，假设 $ T \ °C $ 时 $ 2 \ mol \ {H_{2}O(g)} $ 在该容器中产生的压强为 $ p_{0} $。达到平衡时，$ {H_{2}O(g)} $ 的转化率和容器中混合气体的平均相对分子质量随温度的变化如图所示。

下列说法错误的是

A.$ {CO(g) + H_{2}O(g){＜=＞[][]}CO_{2}(g) + H_{2}(g)} $ $ \Delta H_{3} = -41 \ kJ · mol^{-1} $
B.温度大于 $ T \ °C $ 时，以反应Ⅲ为主，导致平衡时混合气体的平均相对分子质量变化程度较小
C.$ T \ °C $ 时，假设体系中只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，反应Ⅰ的平衡常数 $ K_{p} = 0.9p_{0} $
D.在相同温度条件下，改变容器容积维持压强为 $ p_{0} $，达到平衡时所得 $ {H_{2}} $ 含量会更低

答案： 解析
根据盖斯定律可知，反应Ⅲ = 反应Ⅱ - 反应Ⅰ，则 $ {CO(g) + H_{2}O(g){＜=＞[][]}CO_{2}(g) + H_{2}(g)} $ $ \Delta H_{3} = \Delta H_{2} - \Delta H_{1} = +90.3 \ kJ · mol^{-1} - (+131.3 \ kJ · mol^{-1}) = -41 \ kJ · mol^{-1} $，A正确。由题意可知，反应Ⅰ、Ⅱ为吸热反应，反应Ⅲ为放热反应，结合题图可知，反应温度小于 $ T \ °C $ 时，$ {H_{2}O(g)} $ 的平衡转化率随温度升高而增大，即升高温度，平衡正向移动，说明主要发生反应Ⅰ、Ⅱ；温度大于 $ T \ °C $ 时，$ {H_{2}O(g)} $ 的平衡转化率随温度升高而减小，即升高温度，平衡逆向移动，说明主要发生反应Ⅲ，反应Ⅲ是反应前后气体分子数不变的反应，故平衡时混合气体的平均相对分子质量变化程度较小，B正确。如果 $ T \ °C $ 时体系中只发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，由题图可知，达到平衡时，混合气体的平均相对分子质量为16，$ {H_{2}O(g)} $ 的转化率为90%，初始时 $ n({H_{2}O}) = 2 \ mol $，则 $ n_{平}({H_{2}O}) = 0.2 \ mol $，$ n_{平}({H_{2}}) = 1.8 \ mol $，$ n_{平}({CO}) + 2n_{平}({CO_{2}}) = 1.8 \ mol $，
【传技法】对于多反应体系的平衡计算问题，可以利用原子守恒法快速计算出平衡时各物质的物质的量，避免计算出错。
设 $ n_{平}({CO}) = x \ mol $，则 $ n_{平}({CO_{2}}) = \frac{1.8 - x}{2} \ mol $，平衡时体系中混合气体的总质量 $ m = [18 × 0.2 + 2 × 1.8 + 28x + 44 × \frac{1.8 - x}{2}] \ g = (46.8 + 6x) \ g $，总物质的量 $ n_{总} = 0.2 \ mol + 1.8 \ mol + x \ mol + \frac{1.8 - x}{2} \ mol = (2.9 + 0.5x) \ mol $，故该混合气体的摩尔质量为 $ \frac{m}{n_{总}} = \frac{46.8 + 6x}{2.9 + 0.5x} \ g · mol^{-1} = 16 \ g · mol^{-1} $，解得 $ x = 0.2 $，故 $ n_{平}({CO}) = 0.2 \ mol $，则 $ n_{平}({CO_{2}}) = 0.8 \ mol $，$ n_{总} = 3 \ mol $，由题意知，$ T \ °C $ 时恒容密闭容器中 $ 2 \ mol \ {H_{2}O(g)} $ 的压强为 $ p_{0} $，结合恒温恒容条件下气体的物质的量之比等于其压强之比可知，平衡时容器内总压强为 $ 1.5p_{0} $，则平衡时 $ p({H_{2}O}) = 0.1p_{0} $，$ p({H_{2}}) = 0.9p_{0} $，$ p({CO}) = 0.1p_{0} $，故反应Ⅰ的平衡常数 $ K_{p} = \frac{p({CO}) · p({H_{2}})}{p({H_{2}O})} = 0.9p_{0} $，C正确。反应Ⅰ、Ⅱ是反应前后气体分子数增大的反应，反应Ⅲ是反应前后气体分子数不变的反应，根据恒温恒容条件下气体的物质的量之比等于其压强之比可知，反应达到平衡时容器内压强增大，若在相同温度条件下，改变容器容积维持压强为 $ p_{0} $，相对于原平衡即增大容器容积、减小压强，反应Ⅰ、Ⅱ的平衡正向移动，则达到新平衡时所得 $ {H_{2}} $ 含量会更高，D错误。
【引思路】改变压强时，根据反应前后气体分子数的变化判断随压强改变平衡产率的变化趋势。