Question

【題目】甲烷是一種重要的化工原料和清潔能源，研究其再生及合理利用有重要意義。

請回答：

(1)已知一定條件下發生如下反應：

CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g) △H=+802kJ·mol－1。

將一定量的CO2(g)和H2O(g)充入10L密閉容器中，分別在催化劑M、N的作用下發生上述反應，CH4(g)的產量(n)與光照時間(t)和溫度(T)變化的關系如圖1所示。

①若甲烷的燃燒熱(△H)為－890kJ·mol－1，則水的汽化熱△H=___________。(汽化熱指1mol液體轉化為氣體時吸收的熱量)

②T1℃、催化劑M作用下，0~20h內該反應速率v(H2O)=___________。

③根據圖1判斷，T1___________T2(填“＞”“＜”或“=”)，理由為___________。

催化劑的催化效果：M___________N(填“強于”或“弱于”)。

(2)甲烷可用于制備合成氣：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H。將CH4(g)和H2O(g)以物質的量之比為1：3充入盛有催化劑的剛性容器中發生該反應。相同時間段內測得CO的體積分數()與溫度(T)的關系如圖2所示。

①T0℃時，CO的體積分數最大的原因為_________________________________。

②若T0℃時，容器內起始壓強為p0，CO的平衡體積分數為10%，則反應的平衡常數Kp=___________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)。

Answer 1

【答案】+44 kJmol﹣1 0.006 molL﹣1h﹣1 ＞ 該反應為吸熱反應，溫度升高，CH4的產量增大 弱于 低于T0 ℃時，相同時間段內溫度越高反應速率越快，CO的體積分數越大；高于T0 ℃時，反應達到平衡，該反應為放熱反應，溫度越高CO的體積分數越小

【解析】

(1)甲烷的燃燒熱為△H=-890kJmol-1，則甲烷燃燒的熱化學方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-890kJmol-1，根據蓋斯定律，結合已知熱化學方程式處理得H2O(l)=H2O(g)，再計算出△H；

②根據圖象可知，T1℃、催化劑M作用下，0～20h內甲烷的物質的量變化為0.6mol，結合v=計算出甲烷的反應速率，然后結合反應速率與化學計量數成正比計算；

③根據催化劑不影響平衡，會使得化學反應速率增大，結合該反應為放熱反應分析解答；

(2)①沒有達到平衡狀態時，溫度越高反應速率越快，當達到平衡狀態后，升高溫度平衡向著逆向移動，據此分析；

②CH4(g)和H2O(g)的物質的量之比為1∶3，設CH4為xmol，H2O為3xmol，平衡時生成的CO為ymol，然后根據三段式分析解答。容器容積相同時，氣體的壓強與物質的量成正比，T0℃時，容器內起始壓強為p0，計算出平衡時的壓強，再分別計算出平衡時各氣體的分壓，帶入平衡常數表達式計算即可。

(1)①已知：CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g)△H＝+802kJmol﹣1①，甲烷的燃燒熱為△H＝﹣890kJmol﹣1，則甲烷燃燒的熱化學方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)＝CO2(g)+2H2O(l)△H＝﹣890 kJmol﹣1②，根據蓋斯定律，﹣(①+②)可得：H2O(l)＝H2O(g)△H＝﹣ [+802kJmol﹣1+(﹣890 kJmol﹣1)]＝+44 kJmol﹣1，故答案為：+44 kJmol﹣1；

②根據圖像可知，T1℃、催化劑M作用下，0～20h內水的物質的量變化為0.6mol，則v(CH4)＝0.003 molL﹣1h﹣1，所以v(H2O)＝2v(CH4)＝0.006 molL﹣1h﹣1，故答案為：0.006 molL﹣1h﹣1；

③該反應為吸熱反應，溫度升高，CH4的產量增大，根據圖像可知，溫度為T1條件下，平衡時甲烷的物質的量較大，則T1＞T2；已知溫度T1＞T2，若不使用催化劑，應該在溫度T1條件下優先達到平衡狀態，根據圖像可知，使用催化劑N的曲線優先達到平衡狀態，說明催化劑的催化效果：M弱于N，故答案為：＞；該反應為吸熱反應，溫度升高，CH4的產量增大；弱于；

(2)①在溫度低于T0 ℃時，相同時間段內溫度越高反應速率越快，則CO的體積分數越大；在溫度為T0 ℃時，反應達到平衡，由于該反應為放熱反應，溫度越高CO的體積分數越小，所以T0℃時CO的體積分數最大，故答案為：低于T0 ℃時，相同時間段內溫度越高反應速率越快，CO的體積分數越大；高于T0 ℃時，反應達到平衡，該反應為放熱反應，溫度越高CO的體積分數越小；

②CH4(g)和H2O(g)的物質的量之比為1∶3，設CH4為xmol，H2O為3xmol，平衡時生成的CO為ymol，CO的平衡體積分數為10%

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

初始(mol) x 3x 0 0

轉化(mol) y y y 3y

平衡(mol) x﹣y 3x﹣y y 3y

則：×100%=10%，解得：y=0.5x，平衡時混合氣體的總物質的量為：x-0.5x+3x-0.5x+0.5x+0.5x×3=5x，反應前總物質的量為4xmol，容器容積相同時，氣體的壓強與物質的量成正比，T0℃時，容器內起始壓強為p0，則平衡時壓強為：p0×=1.25p0，平衡時p(CH4)=×1.25p0=p0，p(H2O)=×1.25p0=p0，p(CO)=×1.25p0=p0，p(CH4)=×1.25p0=p0，反應的平衡常數Kp==，故答案為：。