Question

【題目】對(duì)甲烷和 CO2 的高效利用不僅能緩解大氣變暖，而且對(duì)日益枯竭的石油資源也有一定的補(bǔ)充作用，甲烷臨氧耦合 CO2 重整反應(yīng)有：

反應(yīng)(i)：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g) △ H=－71.4kJmol-1

反應(yīng)(ii)：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △ H=+247.0 kJmol-1

(1)寫出表示 CO 燃燒熱的熱化學(xué)方程式：_____。

(2)在兩個(gè)體積均為 2L 的恒容密閉容器中，起始時(shí)按表中相應(yīng)的量加入物質(zhì)，在相同溫度下進(jìn)行反應(yīng)(ii)：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) (不發(fā)生其它反應(yīng))，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如表所示：

容器	起始物質(zhì)的量(n) / mol				CO2的平衡轉(zhuǎn)化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50％
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列條件能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是_____。

A.v正(CH4) =2v逆(CO)

B.容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不再變化

D.容器內(nèi)混合氣體密度保持不變

②達(dá)到平衡時(shí)，容器Ⅰ、Ⅱ內(nèi) CO 的物質(zhì)的量的關(guān)系滿足：2n(CO)Ⅰ_____n(CO)Ⅱ(填“＞”、“＝”或“＜”)

(3)將一定量的甲烷和氧氣混合完成反應(yīng)(i)，其他條件相同，在甲、乙兩種不同催化劑作用下， 相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得 CH4 轉(zhuǎn)化率與溫度變化關(guān)系如圖所示。c 點(diǎn)_____(填“可能”、“一定”或“一定未”)達(dá)到平衡狀態(tài)，理由是_____。

(4)CO2 也可通過(guò)催化加氫合成乙醇，其反應(yīng)原理為：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) H<0。設(shè) m 為起始時(shí)的投料比，即 m= n(H2)/ n(CO2)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到下列圖象：

圖1 圖2 圖3

①圖 1 中投料比相同，溫度從高到低的順序?yàn)?/span>_________。

②圖 2 中 m1、m2、m3 從大到小的順序?yàn)?/span>_________。

③圖 3 表示在總壓為 5 MPa 的恒壓條件下，且 m=3 時(shí)，平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系。T4 溫度時(shí)，該反應(yīng)壓強(qiáng)平衡常數(shù)KP的計(jì)算式為_________(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，代入數(shù)據(jù)，不用計(jì)算)。

Answer 1

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g) △ H=－282.7kJmol-1 C ＞ 一定未 催化劑不會(huì)影響平衡轉(zhuǎn)化率，在相同條件下，乙催化劑對(duì)應(yīng)的 c 點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率沒(méi)有甲催化劑對(duì)應(yīng)的 b 點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率高，所以 c 點(diǎn)一定未平衡 T3＞T2＞T1 m1＞m2＞m3

【解析】

(1)書寫燃燒熱的熱化學(xué)方程式，一定要保證：可燃物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)為1；可燃物發(fā)生完全燃燒；生成產(chǎn)物是在常溫常壓下穩(wěn)定存在的物質(zhì)，根據(jù)蓋斯定律可得： ；

(2) ①A．2v正(CH4) =v逆(CO)時(shí)，反應(yīng)才達(dá)到平衡狀態(tài)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；

B．由于平衡常數(shù)未知，所以濃度滿足上式不一定處于平衡狀態(tài)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；

C．由于該反應(yīng)是在恒溫恒容條件下進(jìn)行的，且屬于非等體積反應(yīng)，根據(jù)公式可知，當(dāng)壓強(qiáng)不變，該反應(yīng)一定達(dá)到平衡，C項(xiàng)正確；

D．由于該反應(yīng)是在恒溫恒容條件下進(jìn)行的，且全為氣體參與，根據(jù)公式可知，密度恒定與平衡狀態(tài)無(wú)關(guān)，D項(xiàng)錯(cuò)誤；

答案選C。

②構(gòu)造容器Ⅲ：除起始物質(zhì)只加入0.2molCH4和0.2molCO2外，其他條件與Ⅰ、Ⅱ相同；通過(guò)分析可知容器Ⅱ、Ⅲ中的平衡等效。容器Ⅲ相比于容器Ⅰ，進(jìn)料增加了一倍，考慮到反應(yīng)方程式，所以Ⅲ相比于Ⅰ，平衡逆移，CO的含量下降，所以2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ；

(3)催化劑對(duì)于平衡無(wú)影響，相同條件下，加入甲催化劑達(dá)到的轉(zhuǎn)化率b高于加入乙催化劑的轉(zhuǎn)化率c，所以c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一定不是平衡狀態(tài)；

(4) ①由于該反應(yīng)放熱，所以溫度越高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越低，所以T3＞T2＞T1；

②對(duì)于兩種反應(yīng)物的反應(yīng)，增加其中一種物質(zhì)的投料，會(huì)使另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率提高，所以m1＞m2＞m3；

③由于投料按照化學(xué)計(jì)量系數(shù)比進(jìn)行，所以反應(yīng)任意時(shí)刻，n(H2):n(CO2)=3:1，且n(乙醇)：n(水)=1:3；所以圖中c線為H2，d線為CO2，a線為水，b線為乙醇；結(jié)合數(shù)據(jù)可知，T4時(shí)，平衡狀態(tài)時(shí)，H2含量為0.375，CO2為0.125，水為0.375，乙醇為0.125。所以壓強(qiáng)平衡常數(shù)的表達(dá)式為：。