Question

【題目】研究CO2與CH4反應使之轉化為CO和H2，對減緩燃料危機和減少溫室效應具有重要的意義。工業上CO2與CH4發生反應I：CH4(g)+CO2(g)＝2CO(g)+2H2(g) △H1

在反應過程中還發生反應Ⅱ：H2(g)+CO2(g)＝H2O(g)+CO(g)△H2=+41kJ/mol

(l)已知部分化學鍵的鍵能數據如下表所示：

化學鍵	C—H	H—H	C=O
鍵能（kJ/mol）	413	436	803	1076

則△Hl =____kJ/mol，反應Ⅰ在一定條件下能夠自發進行的原因是____，該反應工業生產適宜的溫度和壓強為____（填標號）。

A.高溫高壓 B．高溫低壓 C．低溫高壓 D．低溫低壓

(2)工業上將CH4與CO2按物質的量1:1投料制取CO2和H2時，CH4和CO2的平衡轉化率隨溫度變化關系如圖所示。

①923K時CO2的平衡轉化率大于CH4的原因是________________________

②計算923K時反應II的化學平衡常數K=______（計算結果保留小數點后兩位）。

③1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨于相等的原因可能是____。

(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2發生反應

III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，摻人O2可消除反應產生的積碳和減小反應器的熱負荷（單位時間內維持反應發生所需供給的熱量），O2的進氣量與反應的熱負荷的關系如圖所示。

①隨著O2進入量的增加，熱負荷下降的原因是 ____。

②摻人O2可使CH4的平衡轉化率____（填“增大”、“減小”或“不變”。下同），CO2的平衡轉化率________

Answer 1

【答案】+234 △S>0 B CH4和CO2按1:1投料發生反應I時轉化率相等，CO2還發生反應II，所以平衡轉化率大于CH4 0.39 1200K以上時以反應I為主，二者轉化率趨于相等（或1200K以上時反應I的正向進行程度遠大于反應II）（或1200K以上時反應I的平衡常數遠大于反應II） 反應III放熱，給反應體系提供能量，使熱負荷降低 增大 減小

【解析】

(l)已知部分化學鍵的鍵能，通過反應物的總鍵能減去生成物的總鍵能可以計算

△Hl，從焓變和熵變綜合判斷反應Ⅰ自發反應的原因，從平衡移動角度來判斷反應條件；

(2)工業上將CH4與CO2按物質的量1:1投料,發生反應Ⅰ、II，則

①923K時CO2的平衡轉化率大于CH4的原因從二者實際參加的反應來討論；

②從圖、及題干中提供的數據結合反應Ⅰ、II，用三段式按定義計算923K時反應II的化學平衡常數K；

③1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨于相等的原因還是從實際參加的反應來討論；

(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2，則發生反應 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O；

①按熱負荷的定義——單位時間內維持反應發生所需供給的熱量以及O2的進氣量與反應III放出的熱量關系，據此解題；

②發生反應 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，分析甲烷、二氧化碳的物質的量及消耗量，分析CH4的平衡轉化率和CO2的平衡轉化率受到的影響；

(l)已知部分化學鍵的鍵能，焓變等于反應物的總鍵能減去生成物的總鍵能，則△Hl=；

答案為：+234；

反應I：CH4(g)+CO2(g)＝2CO(g)+2H2(g) △H1，△S>0，因此△S>0是反應Ⅰ自發反應的原因，該反應是吸熱、氣體分子總數增大的反應，因此，選擇高溫低壓的條件；

答案為：△S>0； B；

(2)①923K時反應Ⅰ中CH4和CO2的平衡轉化率是一樣的，但是，二氧化碳還參加反應II，因此其平衡轉化率大于CH4；

答案為：CH4和CO2按1:1投料發生反應I時轉化率相等，CO2還發生反應II，所以平衡轉化率大于CH4；

②CH4和CO2按1:1投料，設投料時的物質的量濃度為1mol/L，由圖知CH4和CO2的轉化率為60%、70%，則發生反應I時

發生反應II:;

答案為：0.39；

③反應I中CO2和CH4的平衡轉化率相等，1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨于相等則意味著該條件對反應I更有利，以反應I為主；

答案為：1200K以上時以反應I為主，二者轉化率趨于相等（或1200K以上時反應I的正向進行程度遠大于反應II）（或1200K以上時反應I的平衡常數遠大于反應II）；

(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2，則發生反應 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，

①反應III是放熱反應，給反應體系提供能量，通入氧氣越多反應中放出的熱量越多，則熱負荷值越小；

答案為：反應III放熱，給反應體系提供能量，使熱負荷降低；

②發生反應 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，促進甲烷消耗，則CH4的平衡轉化率增大；

答案為：增大；

發生反應 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O不利于反應I，減少了二氧化碳的消耗量，又使二氧化碳濃度增大，因此二氧化碳的平衡轉化率下降；

答案為：減小。