Question

【題目】一種通過鐵基氧載體（Fe3O4/FeO)深度還原和再生來合成二甲醚（CH3OCH3) 的原理如圖：

（1）CH4氧化器中發(fā)生的主反應：

i.CH4(g)+Fe3O4(s)=CO(g)+2H2(g)+3FeO(s)

ii.CH4(g)+4Fe3O4(s)=CO2(g)+2H2O(g)+12FeO(s)

850℃時，壓強和部分氣體體積分數(shù)、固相各組分質量分數(shù)的關系如圖。

①隨著壓強的增大，反應i的平衡常數(shù)K值___(填“增大”、“減小”或“不變”)。

②結合圖像，分析H2O的體積分數(shù)變化的原因___(用化學方程式表示）。

（2）將一定量的FeO和CO2置于CO2還原器（體積不變的密閉容器）中，發(fā)生的主反應：CO2(g)+3FeO(s)=Fe3O4(s)+CO(g)。保持其他條件不變，測得不同溫度下最終反應體系中CO、CO2體積分數(shù)如表。

溫度t/℃	100	170	200	300	400	500
CO2體積分數(shù)	0.67	0.67	0.75	0.82	0.9	0.92
CO體積分數(shù)	0.33	0.33	0.25	0.18	0.1	0.08

①△H2___0(填“＞”或“＜”)。

②由上表可知，若在150℃時進行上述轉化，理論轉化率α(FeO)為100%。在上述反應體系中，一定可以說明該反應達到平衡狀態(tài)的是___(填標號）。

A.CO2的物質的量不變 B.體系的壓強不變

C.氣體的平均摩爾質量不變 D.CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零

③根據化學反應原理，分析CO2還原器溫度設置在170℃的原因___。

Answer 1

【答案】不變 Fe3O4+H2 3FeO+H2O < AD 溫度過高，CO2的轉化率低，溫度過低，反應速率比較慢

【解析】

（1）①化學平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變；

②根據圖象分析，隨著反應的進行，H2的含量降低，H2O的含量增大，可推斷反應過程中H2轉化為了H2O，發(fā)生的反應為Fe3O4和H2反應生成FeO和H2O，據此寫出反應的化學方程式；

（2）①根據圖表數(shù)據分析，隨著反應溫度的上升，平衡時CO2的體積分數(shù)上升，CO的體積分數(shù)下降，表明化學平衡向逆反應方向移動，據此判斷反應的焓變情況；

②反應為CO2（g）+3FeO（s）Fe3O4（s）+CO （g），是氣體數(shù)不變的反應，壓強變化不對平衡常產生影響，結合焓變情況分析溫度變化的影響，據此判斷反應達到平衡的標志；

③根據化學反應原理，CO2還原器溫度設置在170℃的原因，可考慮化學反應速率和化學反應趨勢。

（1）①化學平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變，所以隨著壓強的增大，反應ⅰ的平衡常數(shù)K值不變，故答案為：不變；

②根據圖象分析，隨著反應的進行，H2的含量降低，H2O的含量增大，可推斷反應過程中H2轉化為了H2O，發(fā)生的反應為Fe3O4和H2反應生成FeO和H2O，則發(fā)生反應的化學方程式為：Fe3O4+H2 3FeO+H2O，故答案為：Fe3O4+H2 3FeO+H2O；

（2）①根據圖表數(shù)據分析，隨著反應溫度的上升，平衡時CO2的體積分數(shù)上升，CO的體積分數(shù)下降，表明化學平衡向逆反應方向移動，所以升高溫度，化學反應向逆反應方向移動，表明正反應方向為放熱反應，所以反應的焓變△H<0，故答案為：<；

②反應為CO2(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+CO (g)，是氣體數(shù)不變的反應，壓強變化不對平衡常產生影響，該反應的焓變△H<0，反應為放熱反應；

A. CO2的物質的量不變，達到化學平衡時，該反應的CO2的物質的量不發(fā)生改變，可以判斷化學反應是否達到平衡，故A正確；

B. 體系的壓強整個反應過程不發(fā)生改變，根據壓強不能判斷反應是否達到化學平衡，故B錯誤；

C. 100-170℃，升高溫度，轉化率100%，量沒有發(fā)生變化，但沒有達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；

D. CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零，可以判斷化學反應是否達到平衡，故D正確。故答案為：AD；

③根據化學反應原理，CO2還原器溫度設置在170℃的原因，可考慮化學反應速率和化學反應趨勢，溫度過高，反應向逆反應方向移動,導致CO2的轉化率低，溫度過低，反應速率比較慢，故答案為：溫度過高，CO2的轉化率低，溫度過低，反應速率比較慢。