Question

【題目】探索CO和NO2這類化合物的特征及反應機理，對處理該類化合物的污染問題具有重要意義。回答下列問題：

I.CO可以與H2反應制備合成天然氣(SNG)。涉及反應如下：

CO甲烷化：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)1=－206.2kJ·mol-1

水煤氣變換：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)2=－41.2kJ·mol-1

(1)反應CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)的=_____kJ·mol-1。某溫度下，分別在起始體積相同的恒容容器A、恒壓容器B中加入1molCO2和4molH2的混合氣體，兩容器反應達平衡后放出或吸收的熱量較多的是_____(填“A”或“B”)。

(2)在恒壓管道反應器中將原料氣H2和CO按一定比例通入，在催化劑作用下制備合成天然氣，400℃、p總為100kPa時反應體系平衡組成如表所示。

組分	CH4	H2O	H2	CO2	CO
體積分數(shù)/%	45.0	42.5	10.0	2.00	0.500

該條件下CO的總轉化率α＝______。若將管道反應器升溫至500℃，反應達到平衡后CH4的體積分數(shù)______45.0%(填“>”、“＜”或“＝”)。

II.NO2可發(fā)生二聚反應生成N2O4，化學方程式為2NO2N2O4。該反應達到平衡后，升高溫度可使體系顏色加深。

(3)已知該反應的正反應速率方程為υ正=k正·c2(NO2)，逆反應速率方程為υ逆=k逆·c(N2O4)，其中k正、k逆分別為正、逆反應的速率常數(shù)。則右圖(lgk表示速率常數(shù)的對數(shù)；表示溫度的倒數(shù))所示①、②、③、④四條斜線中，能表示lgk正隨變化關系的是斜線______，能表示lgk逆隨變化關系的是斜線______。

(4)圖中A、B、C、D點的縱坐標分別為a+1.5、a+0.5、a－0.5、a－1.5，則T1溫度時化學平衡常數(shù)K=______mol－1·L。已知T1溫度時，某時刻恒容密閉容器中NO2、N2O4濃度均為0.2mol·L－1，此時υ正______υ逆(填>或＜)；該反應達到平衡后，若將溫度從T1升高到T2重新達到平衡，則T1溫度時平衡壓強p(T1)______T2溫度時平衡壓強p(T2)(填“>”、“=”或“＜”)，原因是______。

Answer 1

【答案】-165 B 98.9%或 ＜ ③ ④ 10 ＞ ＜ 溫度升高體積不變，總壓強增大；溫度升高平衡左移，體系總物質的量增加，總壓強增大

【解析】

I (1)①CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)△H1=-206.2kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H2=-41.2kJmol-1

將方程式①-②得CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，計算△H；

A為恒溫恒容、B為恒溫恒壓條件，如果是恒溫恒容，反應前后物質的量減小、壓強減小，開始時AB壓強相等，A中壓強逐漸減小B中壓強不變，所以反應過程中壓強A＜B，增大壓強平衡正向移動；

(2)根據(jù)CO甲烷化：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)反應，設n(H2)=3mol、n(CO)=1mol，恒容恒溫條件下氣體的體積分數(shù)之比等于物質的量分數(shù)之比，設平衡時混合氣體總物質的量為xmol，根據(jù)C原子守恒得(45.0%+2.00%+0.5%)×xmol=1mol，x=，則CO的轉化率=×100%；該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動；

II(3)化學反應速率與溫度成正比，隨著溫度的降低，增大，正逆反應速率降低，則lgk正和lgk逆均減小，由于溫度降低平衡正向移動，則v正＞v逆，則降低相同的溫度時lgk逆減小更快，據(jù)此分析；

(4)化學平衡常數(shù)K=，平衡時v正=v逆，再利用C點和D點的數(shù)據(jù)求得k正和k逆；比較濃度熵Qc與K值的大小，若Qc＞K則平衡正向移動，若Qc=K則達到平衡，若Qc＜K則平衡正向移動；升高溫度體系顏色加深，平衡逆向移動，則正反應放熱，上述反應達到平衡后，恒容體系，體積不變，升高溫度，平衡逆向移動，氣體物質的量增大，據(jù)此分析。

I (1)①CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)△H1=-206.2kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H2=-41.2kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律，將方程式①-②得CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，△H=(-206.2+41.2)kJ/mol=-165kJ/mol；A為恒溫恒容、B為恒溫恒壓條件，如果是恒溫恒容，反應前后物質的量減小、壓強減小，開始時AB壓強相等，A中壓強逐漸減小B中壓強不變，所以反應過程中壓強A＜B，增大壓強平衡正向移動，則B放出的熱量多；

(2)根據(jù)CO甲烷化：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)反應，設n(H2)=3mol、n(CO)=1mol，恒容恒溫條件下氣體的體積分數(shù)之比等于物質的量分數(shù)之比，設平衡時混合氣體總物質的量為xmol，根據(jù)C原子守恒得(45.0%+2.00%+0.5%)xmol=1mol，x=，則CO的轉化率=×100%=×100%= ×100%或98.9%；該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，則反應迅達到平衡后CH4的體積分數(shù)減小，即φ＜45%；

II(3)化學反應速率與溫度成正比，隨著溫度的降低，增大，正逆反應速率降低，則lgk正和lgk逆均減小，由于溫度降低平衡正向移動，則v正＞v逆，則降低相同的溫度時lgk逆減小更快，則斜線③表示lgk正隨變化關系，斜線④能表示lgk逆隨變化關系；

(4)化學平衡常數(shù)K===10；已知T1溫度時，某時刻恒容密閉容器中NO2、N2O4濃度均為0.2mol·L－1，Qc==5＜K，則平衡正向移動，v正＞v逆；升高溫度體系顏色加深，平衡逆向移動，則正反應放熱，上述反應達到平衡后，恒容體系，體積不變，升高溫度，平衡逆向移動，氣體物質的量增大，體系總壓強增大，則T1溫度時平衡壓強p(T1)＜T2溫度時平衡壓強p(T2)。