Question

【題目】科學(xué)家研究出一種以天然氣為燃料的“燃燒前捕獲系統(tǒng)”，其簡(jiǎn)單流程如圖所示(條件及部分物質(zhì)未標(biāo)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(yīng)2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)的△H=_________

(2)工業(yè)上可用H2和CO2制備甲醇，其反應(yīng)方程式為CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。某溫度下，將1 mol CO2和3 mol H2充人體積不變的2L密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)，測(cè)得不同時(shí)刻反應(yīng)前后的壓強(qiáng)關(guān)系如下表所示:

①用H2表示的前2h的平均反應(yīng)速率v(H2)=_________

②該溫度下，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為______________

(3)在300℃、8 MPa下，將CO2和H2按物質(zhì)的量之比1:3通入一密閉容器中發(fā)生(2)中反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則該反應(yīng)條件下的平衡常數(shù)為Kp=_____ (用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

(4)CO2經(jīng)催化加氫可合成低碳烯烴:2CO2 ( g)＋6H2 (g)C2H4 (g)＋4H2 O(g) △H。在0 .1 MPa時(shí)，按(CO2)：(H2)=1：3投料，如圖所示為不同溫度()下，平衡時(shí)四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量()的關(guān)系。

①該反應(yīng)的△H_______0(填“>”或“<”)。

②曲線表示的物質(zhì)為______(填化學(xué)式)。

Answer 1

【答案】-71.4 kJ·mol-1 0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 40% < C2H4

【解析】

（1）根據(jù)CH4、、CO和H2的燃燒熱分別寫(xiě)出燃燒的熱化學(xué)方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；

根據(jù)蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；

(2) ①恒溫恒容時(shí)，氣體的壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，2h時(shí)=0.85，求出氫氣轉(zhuǎn)化量，進(jìn)一步求出用氫氣表示的反應(yīng)速率；

②該溫度下，反應(yīng)進(jìn)行5h時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)=0.80，求出二氧化碳轉(zhuǎn)化量，進(jìn)一步求出CO2的平衡轉(zhuǎn)化率；

(3)根據(jù)已知條件，列三行式，求出平衡時(shí)各氣體成分所占的物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)，求出分壓，進(jìn)而計(jì)算平衡常數(shù)；

(4)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)放熱；

②隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，因氫氣為反應(yīng)物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，隨著平衡逆向移動(dòng)，二者的物質(zhì)的量逐漸減小，由計(jì)量數(shù)關(guān)系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

（1）根據(jù)CH4、、CO和H2的燃燒熱分別寫(xiě)出燃燒的熱化學(xué)方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；
利用蓋斯定律將①2-②-③×2可得：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1，
故答案為：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1；

(2) ①恒溫恒容時(shí)，氣體的壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，2h時(shí)=0.85，設(shè)消耗CO2的物質(zhì)的量為xmol，

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g) V

1 3 1 1 2

xmol 2x mol

則有=0.85，解得x=0.3，

故前2h的平均反應(yīng)速率v(H2)==0.225 mol·L-1·h-1。

②該溫度下，反應(yīng)進(jìn)行5h時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)=0.80，設(shè)消耗CO2的物質(zhì)的量為ymol，則有=0.85，解得y=0.4，

故CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為×100%=40%，

故答案為：0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 ；40%；

(3)設(shè)開(kāi)始時(shí)投入CO2和H2的物質(zhì)的量分別為1mol、3mol，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則有：

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。

起始量/mol 1 3 0 0

轉(zhuǎn)化量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡時(shí)p(CO2)=8 MPa×= MPa， p(H2)=8 MPa×=4 MPa，p(CH3OH)=8 MPa×= MPa，p(H2O)=8 MPa×= MPa，

故該反應(yīng)條件下的平衡常數(shù)為Kp===。

故答案為：；

(4)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)放熱，ΔH<0。

②隨著溫度升高，氫氣的物質(zhì)的量逐漸增多，因氫氣為反應(yīng)物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，隨著平衡逆向移動(dòng)，二者的物質(zhì)的量逐漸減小，由計(jì)量數(shù)關(guān)系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

故答案為：< ；C2H4。