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)單流程如圖所示部分(條件及物質(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) ΔH＝ 。

（2）工業(yè)上可用H2和CO2制備甲醇，其反應(yīng)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(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：

① 用H2 表示前2 h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，將二氧化碳和氫氣按物質(zhì)的量之比為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)得二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則該反應(yīng)條件下的平衡常數(shù)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)CH4(g)+4H2O(g) ΔH。在0.1 MPa時(shí)，按n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，如圖所示為不同溫度(T)下，平衡時(shí)四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量(n)關(guān)系：

①該反應(yīng)的ΔH 0(填“＞”、“＝”或“＜”)。

②曲線c表示的物質(zhì)為 。

③為提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是 ，用平衡移動(dòng)原理說(shuō)明理由 。

Answer 1

【答案】(1)-71.4kJ·mol-1

(2)①0.225mol·L-1·h-1②40%

(3)1/48MPa-2或0.0208MPa-2或0.021MPa-2

(4)①<②C2H4③加壓(或不斷分離出水)

【解析】

試題分析： (1)按順序把熱化學(xué)方程式標(biāo)為①②③:

CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-890.3 kJ·mol-1 ①

CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) ΔH2= -283.0 kJ·mol-1 ②

H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH3= -285.8 kJ·mol-1 ③

根據(jù)蓋斯定律，①×2-2×②-4×③得2CH4(g)+O2(g)=2CO(g)+4H2(g) ΔH=-71.4 kJ·mol-1。

(2)①由反應(yīng)前后的壓強(qiáng)關(guān)系可知2 h時(shí)，體系中氣體的總的物質(zhì)的量為3.4 mol，減少了0.6 mol。

v(H2)=△c/△t=0.9mol/(2L*2h)=0.225 mol·L-1·h-1。②該反應(yīng)是一個(gè)反應(yīng)前后氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)不變時(shí)，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡。5 h時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，根據(jù)反應(yīng)前后壓強(qiáng)的比值可求得CO2 的平衡轉(zhuǎn)化率為4mol*（1-0.8）/（2*1mol）×100%=40%。

(3)設(shè)開(kāi)始時(shí)投入CO2和H2的物質(zhì)的量分別為1 mol和3 mol。

則平衡時(shí)p(CO2)=8 MPa×=4/3 MPa，p(H2)=8 MPa×=4 MPa，

p(CH3OH)=8 MPa×=4/3 MPa，p(H2O)=8 MPa×=4/3 MPa，

Kp===≈0.020 8 (MPa-2)。(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，由計(jì)量數(shù)關(guān)系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。③為提高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)或不斷分離出水。