Question

【題目】科學家研究出一種以天然氣為燃料的“燃燒前捕獲系統”，其簡單流程如圖所示(條件及物質未標出)。

(1)已知：CH4、CO、H2的燃燒熱分別為890.3 kJ·mol－1、283.0 kJ·mol－1、285.8 kJ·mol－1，則上述流程中第一步反應2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g)的ΔH＝______________。

(2)工業上可用H2和CO2制備甲醇，其反應方程式為CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)，某溫度下，將1 mol CO2和3 mol H2充入體積不變的2 L密閉容器中，發生上述反應，測得不同時刻反應前后的壓強關系如下表：

時間/h	1	2	3	4	5	6
	0.90	0.85	0.83	0.81	0.80	0.80

①用H2表示前2 h 的平均反應速率v(H2)＝_________________________________；

②該溫度下，CO2的平衡轉化率為________。

(3)在300 ℃、8 MPa下，將CO2和H2按物質的量之比1∶3 通入一密閉容器中發生(2)中反應，達到平衡時，測得CO2的平衡轉化率為50%，則該反應條件下的平衡常數為Kp＝________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓＝總壓×物質的量分數)。

(4)CO2經催化加氫可合成低碳烯烴：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)　ΔH。在0.1 MPa時，按n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，如圖所示為不同溫度(T)下，平衡時四種氣態物質的物質的量(n)關系。

①該反應的ΔH________0(填“＞”或“＜”)。

②曲線c表示的物質為_______。

③為提高H2的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施______________。（答出一條即可）

Answer 1

【答案】－71.4 kJ·mol－1 0.225 mol·L－1·h－1 40% < C2H4 加壓(或不斷分離出水蒸氣)

【解析】

(1)利用燃燒熱寫出熱化學方程式，再根據蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
(2)①反應速率v=計算得到；

②反應物轉化率=×100%；

(3)三段式列式計算平衡時氣體物質的量，壓強之比等于氣體物質的量之比，計算得到各氣體的分壓，結合平衡常數概念計算；

(4)①由圖可知，升高溫度，氫氣物質的量增大，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應；

②升高溫度平衡逆向移動，a曲線隨著溫度升高，物質的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯；

③為提高H2的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強。

(1)在101kPa下，CH4、CO、H2的燃燒熱(△H)分別為890.3kJ/mol、283kJ/mol、285.8kJ/mol，它們的熱化學反應方程式分別為：

①CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)△H=890.3kJ/mol；

②CO(g)+ O2(g)═CO2(g)△H=283kJ/mol；

③H2(g)+ O2(g)═H2O(l)△H=285.8kJ/mol；

根據蓋斯定律，由①×2②×2③×4得2CH4(g)+O2(g)═2CO(g)+4H2(g)△H═[(890.3kJ/mol×2)(283kJ/mol)×2](285.8kJ/mol×4)=71.4kJ/mol；

(2)①設反應的二氧化碳物質的量為x，氣體壓強之比等于氣體物質的量之比，

P后：P前=(42x)：(1+3) =0.85，解得：x=0.3mol，則用氫氣表示前2小時反應平均速率v(H2)==0.225mol/(Lh)；

②反應達到平衡狀態時，二氧化碳反應物質的量為y，

P后：P前=(42y)：(1+3) =0.8，解得：y=0.4mol該溫度下CO2的平衡轉化率=×100%=40%；

(3)若反應條件為壓強8MPa，300℃的反應溫度下二氧化碳和氫氣按1:3的比例通入，測得二氧化碳的平衡轉化率為50%，結合三段式列式計算，

分壓=總壓×物質的量分數，物質的量分數=，故P(CO2)=，P(H2)=，P(CH3OH)=，P(H2O)=Kp==(MPa)2；

(4)①由圖可知，升高溫度，氫氣物質的量增大，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應，故△H＜0；

②根據圖知，升高溫度,氫氣物質的量增大，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應；a曲線隨著溫度升高，物質的量增大，為二氧化碳，b、c隨著溫度升高其物質的量降低，為生成物水、乙烯，但水的變化量大于乙烯，所以c曲線代表C2H4；

③由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱，該反應為氣態分子數減小的反應，為提高H2的平衡轉化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強,或不斷分離出水,平衡向右移動，H2的平衡轉化率增大。