Question

7．天然氣制油是利用天然氣生產(chǎn)汽油和煤油等液體燃料的方法，這種合成油不含硫、氮化合物等雜質(zhì)，因此也被稱作是“綠色燃料”，其主要工作原理包含合成氣生成和F-T合成兩個(gè)過(guò)程，其中合成氣生成主要化學(xué)反應(yīng)為：
主反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1
副反應(yīng)：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165kJ•mol^-1
已知合成氣生成過(guò)程中，溫度、壓強(qiáng)和水碳比[$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$]對(duì)甲烷平衡含量（%）的影響如圖1：

回答下列問(wèn)題：
（1）反應(yīng)CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的△H=+41kJ•mol^-1．
（2）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫．
若在恒溫、恒壓時(shí)，向該平衡體系中通入氦氣平衡將向正反應(yīng)方向移動(dòng)（填“向正反應(yīng)方向”、“向逆反應(yīng)方向”或“不移動(dòng)”），甲烷的轉(zhuǎn)化率將增大，平衡常數(shù)不變．（填“增大”、“減小”或“不變”）
（3）其他條件不變，請(qǐng)?jiān)趫D2中用虛線畫(huà)出壓強(qiáng)為2MPa時(shí)，甲烷平衡含量（%）與水碳比之間的關(guān)系曲線．
（4）已知：在700℃，1MPa時(shí)，2mol CH₄與2mol H₂O在2L可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)是6.75．
（5）合成氣生成過(guò)程中，降低反應(yīng)體系中CO₂生成量的措施有B．
A．增大容器體積，降低體系壓強(qiáng)
B．在合適的溫度區(qū)間內(nèi)控制較低的反應(yīng)溫度
C．適當(dāng)降低水碳比
D．選擇合適、更高效的催化劑
E．向該反應(yīng)體系中投入活性炭
（6）某研究機(jī)構(gòu)在合成氣生成過(guò)程中，保持容器體積和原料氣比例不變，適當(dāng)加入CaO和合適的催化劑以獲得純度95%以上的H₂，試解釋原因催化劑加快反應(yīng)進(jìn)行，加入氧化鈣和二氧化碳、水反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鈣，獲得純度95%以上的H₂．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算；
（2）根據(jù)圖象中可以看出升高溫度，反應(yīng)速率加快，甲烷的百分含量減小，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，焓變大于0，反應(yīng)前后氣體體積增大熵變大于0，結(jié)合反應(yīng)蒸發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)分析，平衡常數(shù)隨溫度變化；
（3）根據(jù)壓強(qiáng)不變時(shí)，甲烷的百分含量隨水碳比增大而減小來(lái)畫(huà)出曲線；
（4）利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂），代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$計(jì)算其平衡常數(shù)；
（5）CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165kJ•mol^-1 ，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，降低反應(yīng)體系中CO₂生成量，可以改變條件使平衡逆向進(jìn)行，據(jù)此分析判斷選項(xiàng)；
（6）保持容器體積和原料氣比例不變，適當(dāng)加入CaO和合適的催化劑以獲得純度95%以上的H₂，利用氧化鈣的性質(zhì)分析；

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1
②CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165kJ•mol^-1
蓋斯定律計(jì)算①-②得到CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的△H=+41KJ/mol，
故答案為：+41KJ/mol；
（2）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），反應(yīng)△H＞0，△S＞0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是△H-T△S＜0，則反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫條件下，
若在恒溫恒壓時(shí)，向該平衡體系中通入氦氣，使容器體積變大，平衡向氣體體積增大的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷轉(zhuǎn)化率增大，平衡常數(shù)隨溫度變化，溫度不變平衡常數(shù)不變，
故答案為：高溫；向正反應(yīng)方向；增大；不變；
（3）其他條件不變，壓強(qiáng)為2MPa時(shí)，CH₄平衡含量隨水碳比的增大而減小，其關(guān)系曲線為；
故答案為：；
（4）已知：在700℃，1MPa時(shí)，2mol CH₄與2mol H₂O在2L可變的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，根據(jù)化學(xué)平衡三段式計(jì)算
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始濃度（mol/L）：1        1       0      0
變化濃度（mol/L）：0.5     0.5      0.5     1.5
平衡濃度（mol/L）：0.5     0.5      0.5     1.5
平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×0.5}$=6.75，
故答案為：6.75；
（5）CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165kJ•mol^-1 ，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，降低反應(yīng)體系中CO₂生成量，平衡逆向進(jìn)行，
A．增大容器體積，降低體系壓強(qiáng)，平衡向氣體體積增大的方向進(jìn)行，平衡正向進(jìn)行二氧化碳生成量增大，故A錯(cuò)誤；
B．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，降低溫度平衡向法人反應(yīng)方向進(jìn)行，在合適的溫度區(qū)間內(nèi)控制較低的反應(yīng)溫度，使平衡逆向進(jìn)行，二氧化碳量減少，故B正確；
C．適當(dāng)降低水碳比，二氧化碳生成量會(huì)增大，故C錯(cuò)誤；
D．選擇合適、更高效的催化劑，只能改變化學(xué)反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，二氧化碳生成量不變，故D錯(cuò)誤；
E．向該反應(yīng)體系中投入活性炭是固體不影響化學(xué)平衡移動(dòng)，故E錯(cuò)誤；
故選B，
故答案為：B；
（6）保持容器體積和原料氣比例不變，適當(dāng)加入CaO和合適的催化劑以獲得純度95%以上的H₂，催化劑加快反應(yīng)進(jìn)行，加入氧化鈣和二氧化碳、水反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鈣，獲得純度95%以上的H₂，
故答案為：催化劑加快反應(yīng)進(jìn)行，加入氧化鈣和二氧化碳、水反應(yīng)生成碳酸鈣和氫氧化鈣，獲得純度95%以上的H₂；

點(diǎn)評(píng) 本題比較綜合，涉及反應(yīng)熱計(jì)算、化學(xué)平衡圖象及影響因素、反應(yīng)速率與平衡常數(shù)計(jì)算等，是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，注意掌握蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱，難度中等．