Question

3．甲烷化技術(shù)是煤制天然氣最核心、最關(guān)鍵的技術(shù)．CO加氫合成甲烷屬于多相催化平衡反應(yīng)，催化劑一般為鑲催化劑（工作溫度400K-800K），主反應(yīng)式：
CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
（1）煤經(jīng)過氣化、變換、凈化得到的合成氣中一般含有H₂、CO、CO₂、H₂O和惰性氣體．
①請寫出H₂O（g）與CO反應(yīng)的熱化學(xué)反應(yīng)方程式CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol．（該反應(yīng)編號為“（3）”）．
②若主反應(yīng)（1）（2）的平衡常數(shù)450K時(shí)分別為K₁、K₂，則與“H₂O與CO反應(yīng)的平衡常數(shù)K₃（同溫度）”的數(shù)量關(guān)系為$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$．
（2）在體積不變的容器中，進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，若溫度升高，CO和H₂的轉(zhuǎn)化率都降低（填“降低”、“升高”或“不變”），但數(shù)據(jù)顯示CO轉(zhuǎn)化率變化更為顯著，主要原因是 CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，進(jìn)一步消耗了氫氣而生成了CO，使CO轉(zhuǎn)化率更低．
（3）當(dāng)溫度在800K以上時(shí)，平衡體系中還會有下列2個(gè)副反應(yīng)：
2CO（g）=C（g）+CO₂（g）△H=-171kJ/mol （快反應(yīng)） （4）
C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反應(yīng)）  （5）
甲烷化反應(yīng)容器就會出現(xiàn)碳固體結(jié)塊現(xiàn)象，熱量傳遞不好而使催化劑燒結(jié)，失去催化作用．
（4）甲烷化反應(yīng)容器主副反應(yīng)（1）至（5），其平衡常數(shù)K的對數(shù)lnK與溫度關(guān)系如圖：寫出圖中曲線A、B所對應(yīng)的反應(yīng)方程式編號（1）（3）．

Answer 1

分析 （1）①已知：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
利用蓋斯定律將（1）-（2）書寫計(jì)算；
②利用蓋斯定律結(jié)合平衡常數(shù)K₃=$\frac{c（H{\;}_{2}）c（CO{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$計(jì)算；
（2）根據(jù)甲烷化反應(yīng)都為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，則CO和H₂的轉(zhuǎn)化率都降低；又根據(jù)CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol  溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，進(jìn)一步消耗了氫氣而生成了CO，使CO轉(zhuǎn)化率更低；
（3）根據(jù)C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反應(yīng)）  （5），反應(yīng)慢，所以反應(yīng)過程中會出現(xiàn)碳過剩，熱量傳遞不好而使催化劑燒結(jié)，失去催化作用；
（4）由圖象作等溫線，得450K時(shí)lnK₃=ln$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$=lnK₁-lnK₂，所以A對應(yīng)反應(yīng)（1），C對應(yīng)反應(yīng)（2），B對應(yīng)反應(yīng)（3），據(jù)此分析．

解答 解：（1）①已知：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
利用蓋斯定律將（1）-（2）可得：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=（-206+165）KJ/mol=-41kJ/mol，
故答案為：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol；
②K₃=$\frac{c（H{\;}_{2}）c（CO{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{\frac{c（CH{\;}_{4}）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}}{\frac{c（CH{\;}_{4}）c{\;}^{2}（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{4}（H{\;}_{2}）}}$=$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$；故答案為：$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$；
（2）因?yàn)榧淄榛�反�?yīng)都為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，則CO和H₂的轉(zhuǎn)化率都降低；又根據(jù)CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，進(jìn)一步消耗了氫氣而生成了CO，使CO轉(zhuǎn)化率更低，
故答案為：降低；CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，溫度升高，平衡向逆方向移動(dòng)，進(jìn)一步消耗了氫氣而生成了CO，使CO轉(zhuǎn)化率更低；
（3）因?yàn)?個(gè)副反應(yīng)2CO（g）=C（g）+CO₂（g）△H=-171kJ/mol （快反應(yīng)） （4）C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反應(yīng)）  （5），而（4）快（5）慢，所以反應(yīng)過程中會出現(xiàn)碳固體結(jié)塊現(xiàn)象，熱量傳遞不好而使催化劑燒結(jié)，失去催化作用，故答案為：碳固體結(jié)塊；
（4）由圖象作等溫線，得450K時(shí)lnK₃=ln$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$=lnK₁-lnK₂，所以A對應(yīng)反應(yīng)（1），C對應(yīng)反應(yīng)（2），B對應(yīng)反應(yīng)（3），所以曲線A、B所對應(yīng)的反應(yīng)方程式編號為（1）（3），故答案為：（1）（3）．

點(diǎn)評 本題主要考查了蓋斯定律的應(yīng)用，平衡移動(dòng)原理及其平衡常數(shù)之間的關(guān)系，難度較大，注意圖象信息的提取與應(yīng)用．