Question

【題目】CO2和甲烷催化合成CO和H2是CO2資源化利用的有效途徑。主要反應(yīng)如下：

Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g） △H＝+247kJ/mol

（1）已知CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g） △H＝+206 kJ/mol

寫出CH4和水蒸氣反應(yīng)生成CO2的熱化學(xué)方程式：___。

（2）在恒溫、恒容的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，下列選項(xiàng)能夠說明反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡狀態(tài)的是___。

A.混合氣體的密度不變

B.混合氣體的總壓強(qiáng)不變

C.CH4、CO2、CO、H2的物質(zhì)的量之比為1：1：2：2

D.2v正（H2）＝v逆（CH4）

E.混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變

（3）催化合成的溫度通常維持在550﹣750℃之間，從反應(yīng)速率角度分析其主要原因可能是___。

（4）將CH4與CO2各1mol充入某密閉容器中，發(fā)生反應(yīng)Ⅰ。100kPa時(shí)，反應(yīng)Ⅰ到達(dá)平衡時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖所示。

①圖中A、B、C三點(diǎn)表示不同溫度、壓強(qiáng)下達(dá)到平衡CO2的體積分?jǐn)?shù)，則___點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)最小，判斷依據(jù)是___；___點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)最大。

②300℃、100kPa下，該容器中反應(yīng)Ⅰ經(jīng)過40min達(dá)到平衡，計(jì)算反應(yīng)在0﹣40 min內(nèi)的平均反應(yīng)速率為v（CO2）＝___mol/min（用分?jǐn)?shù)表示）。

Answer 1

【答案】CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g） △H＝+165kJ/mol BE 在該溫度范圍內(nèi)，催化劑的活性較高，反應(yīng)速率較快 A 反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng)，溫度越低，平衡常數(shù)越小 C

【解析】

（1）利用蓋斯定律計(jì)算焓變；

（2）未達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)體系中某些值是不斷變化的，當(dāng)這些值不變時(shí)可說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；

（3）催化劑的活性大小是與溫度有關(guān)；

（4）①平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)；

②根據(jù)題目所給單位mol/min可知本題中反應(yīng)速率是指單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)的量的變化；

（1）由①2CO（g）+2H2 （g）CH4（g）+CO2（g） △H＝﹣247kJ/mol

②2CH4（g）+2H2 O（g）2CO（g）+6H2（g） 2△H＝+2×206kJ/mol

結(jié)合蓋斯定律可知，①+②得到CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol，故答案為：CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol；

（2）A.該反應(yīng)反應(yīng)物和生成物都是氣態(tài)物質(zhì)，所以根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知?dú)鈶B(tài)物質(zhì)的質(zhì)量沒變，又是恒容，體積沒變，則密度是恒定的，故A錯(cuò)誤；

B.由于反應(yīng)前后氣體體積不同，所以壓強(qiáng)是一個(gè)變量，“變量不變”則說明達(dá)到了平衡狀態(tài)，故B正確；

C.平衡狀態(tài)是物質(zhì)的量保持不變，不是成比例或者相等，故C錯(cuò)誤；

D.達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)同一物質(zhì)的正逆反應(yīng)速率相等，不同物質(zhì)的正逆反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量數(shù)成正比，應(yīng)該是v（H2）＝2v（CH4），故D錯(cuò)誤；

E.由于根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知，氣體總質(zhì)量不變，反應(yīng)前后氣體體積改變，所以混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量在反應(yīng)過程中是一個(gè)變量，現(xiàn)在保持不變，可以判斷達(dá)到平衡狀態(tài)，故E正確；

故答案為：BE；

（3）催化劑的活性大小是與溫度有關(guān)的，故要想達(dá)到使催化劑達(dá)到最大活性則需要有適宜溫度范圍，故答案為：在該溫度范圍內(nèi)，催化劑的活性較高，反應(yīng)速率較快；

（4）①該反應(yīng)焓變值大于零，為吸熱反應(yīng)，溫度升高，向正反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)變大，反之溫度越低平衡常數(shù)越小，A點(diǎn)溫度最低，故A點(diǎn)對(duì)應(yīng)平衡常數(shù)最小。該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)向正向移動(dòng)，氣體體積增大，由于是恒容容器，故氣體體積增大，壓強(qiáng)也增大，C點(diǎn)溫度最高，故C點(diǎn)對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)最大，故答案為：A；反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng)，溫度越低，平衡常數(shù)越��；C；

②由圖可知：在300℃、100kPa時(shí)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)40%。

設(shè)在300℃、100kPa條件下，達(dá)到平衡時(shí)消耗二氧化碳的物質(zhì)的量為xmol。

則平衡時(shí)，混合氣體總的物質(zhì)的量n（混）＝（1﹣x）+（1﹣x）+2x+2x＝（2+2x）mol

則CO2體積分?jǐn)?shù)＝＝×100%＝40%，可得x＝，則v（CO2）＝＝mol/min＝mol/min。

故答案為：。