Question

【題目】工業(yè)上利用CO2和H2催化氫化可以制取甲烷。

（1）已知 ①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O（l） ΔH= -890 kJ·mol-1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH= -572 kJ·mol-1

③H2O(l)=H2O(g) ΔH= +44 kJ·mol-1

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=a kJ·mol-1

據(jù)此，a=_________；升高溫度，該反應(yīng)的v(逆)_____（填“增大”或“減小”）。

（2）在一定壓強(qiáng)、不同溫度下，兩種催化劑分別催化CO2加氫甲烷化反應(yīng)2h的結(jié)果如圖1所示（一定溫度下僅改變催化劑，其他條件不變）：a、b-催化劑I； c、d-催化劑II。甲烷化選擇性：指含碳產(chǎn)物中甲烷的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。請(qǐng)據(jù)圖1分析：

①催化劑I實(shí)驗(yàn)，400 ℃~450℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率下降的原因可能為___________(寫(xiě)1條)。

②催化劑II實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)密閉容器中產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，溫度升高甲烷的選擇性下降是發(fā)生了：CO2(g)+ H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH＞0。若保持溫度不變，提高甲烷化選擇性可以采取的措施：______________（寫(xiě)2條）。

（3）下列與甲烷化反應(yīng)有關(guān)的描述中，正確的是______：

A.單位時(shí)間內(nèi)斷裂1molC=O鍵的同時(shí)斷裂1molC-H，說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡

B.照上述反應(yīng)使用催化劑，其Ⅰ的活化能比Ⅱ的活化能大

C.在絕熱的密閉容器中進(jìn)行時(shí)，當(dāng)容器中溫度不變時(shí)說(shuō)明達(dá)到平衡

D.催化劑Ⅰ下，300-450℃內(nèi)，選擇性保持不變的主要原因是其它副反應(yīng)的速率很慢

（4）催化劑I實(shí)驗(yàn)， 400℃時(shí)，向2L固定體積的密閉容器中通入1mol CO2和4mol H2，CH4物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2時(shí)所示，則2h內(nèi)H2平均反應(yīng)速率為____________；平衡常數(shù)K=____________。若其他條件不變，反應(yīng)在恒壓條件下進(jìn)行，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫(huà)出反應(yīng)體系中n(CH4)隨時(shí)間t變化的趨勢(shì)圖____________________。

Answer 1

【答案】 －166 增大 可能是溫度超過(guò)了催化劑最佳活化溫度，催化劑活性下降反應(yīng)速率減小，使 CO2減少轉(zhuǎn)化率下降 [ 或：在2h時(shí)已達(dá)平衡，繼續(xù)升溫使放熱反應(yīng)平衡逆移，導(dǎo)致CO2轉(zhuǎn)化率下降 改用催化劑I，增加壓強(qiáng)；或同倍數(shù)增加CO2、H2濃度，控制溫度在400℃左右 之間 CD 0.5mol·L-1·h-1 0.25L2· mol-2

【解析】（1）根據(jù)蓋斯定律，②×2-①+③×2得：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=[-572×2-(-890)+44×2]kJ·mol-1=-166 kJ·mol-1，所以a=-166；升高溫度，正、逆化學(xué)反應(yīng)速率都加快，故升高溫度，該反應(yīng)的v(逆)增大。

（2）①催化劑只有在合適的溫度時(shí)才表現(xiàn)最好的催化活性，可能是溫度超過(guò)了催化劑最佳活化溫度，催化劑活性下降反應(yīng)速率減小，使2h內(nèi)CO2減少轉(zhuǎn)化率下降；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度不利于提高CO2轉(zhuǎn)化率，若2h時(shí)反應(yīng)已達(dá)平衡，繼續(xù)升溫使平衡逆向移動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致CO2轉(zhuǎn)化率下降。②由圖可得，使用催化劑I甲烷化選擇性高，若使用催化劑II，400℃左右甲烷化選擇性高；由CO2加氫甲烷化反應(yīng)方程式可得，增大壓強(qiáng)有利于提高甲烷化選擇性，所以若保持溫度不變，提高甲烷化選擇性可以采取的措施有：改用催化劑I、增加壓強(qiáng)(或同倍數(shù)增加CO2、H2濃度)、控制溫度在400℃左右等。

（3）A項(xiàng)，由甲烷化反應(yīng)方程式可得，斷裂1molC=O鍵同時(shí)會(huì)生成2molC-H，則斷裂1molC=O鍵的同時(shí)斷裂1molC-H，說(shuō)明該反應(yīng)并沒(méi)有達(dá)到平衡，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，2h內(nèi)催化劑Ⅰ的催化效果比催化劑Ⅱ的效果好，因?yàn)榇呋瘎┙档头磻?yīng)的活化能，所以Ⅰ作用下的活化能比催化劑Ⅱ的小，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，甲烷化反應(yīng)在絕熱的密閉容器中進(jìn)行時(shí)，溫度為變量，所以當(dāng)溫度不變時(shí)說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故C正確；D項(xiàng)，催化劑加快化學(xué)反應(yīng)速率，在催化劑Ⅰ作用下，300-450℃內(nèi)，甲烷化反應(yīng)速率很快，其它副反應(yīng)的速率很慢，才會(huì)使選擇性保持不變，故D正確。綜上，選CD。

（4）2h甲烷變化0.5mol，則H2變化2mol，故v(H2)=2mol÷2L÷2h=0.5mol·L-1·h-1；根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)列三段式：

平衡常數(shù)K==L2mol-2=0.25L2mol-2；若其他條件不變，反應(yīng)在恒壓條件下進(jìn)行，則與恒容相比相當(dāng)于不斷壓縮體積，因此反應(yīng)速率快且反應(yīng)程度大，在圖2中畫(huà)出反應(yīng)體系中n(CH4)隨時(shí)間t變化的趨勢(shì)圖為：。