Question

【題目】科學家研究出一種以天然氣為燃料的“燃燒前捕獲系統”，其簡單流程如圖所示(條件及部分物質未標出)。

(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2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)的△H=_________

(2)工業上可用H2和CO2制備甲醇，其反應方程式為CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。某溫度下，將1 mol CO2和3 mol H2充人體積不變的2L密閉容器中，發生上述反應，測得不同時刻反應前后的壓強關系如下表所示:

①用H2表示的前2h的平均反應速率v(H2)=_________

②該溫度下，CO2的平衡轉化率為______________

(3)在300℃、8 MPa下，將CO2和H2按物質的量之比1:3通入一密閉容器中發生(2)中反應，達到平衡時，測得CO2的平衡轉化率為50%，則該反應條件下的平衡常數為Kp=_____ (用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)。

(4)CO2經催化加氫可合成低碳烯烴:2CO2 ( g)＋6H2 (g)C2H4 (g)＋4H2 O(g) △H。在0 .1 MPa時，按(CO2)：(H2)=1：3投料，如圖所示為不同溫度()下，平衡時四種氣態物質的物質的量()的關系。

①該反應的△H_______0(填“>”或“<”)。

②曲線表示的物質為______(填化學式)。

Answer 1

【答案】-71.4 kJ·mol-1 0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 40% < C2H4

【解析】

（1）根據CH4、、CO和H2的燃燒熱分別寫出燃燒的熱化學方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；

根據蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；

(2) ①恒溫恒容時，氣體的壓強之比等于其物質的量之比，2h時=0.85，求出氫氣轉化量，進一步求出用氫氣表示的反應速率；

②該溫度下，反應進行5h時達到平衡狀態，此時=0.80，求出二氧化碳轉化量，進一步求出CO2的平衡轉化率；

(3)根據已知條件，列三行式，求出平衡時各氣體成分所占的物質的量的分數，求出分壓，進而計算平衡常數；

(4)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱；

②隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，因氫氣為反應物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，隨著平衡逆向移動，二者的物質的量逐漸減小，由計量數關系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

（1）根據CH4、、CO和H2的燃燒熱分別寫出燃燒的熱化學方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；
利用蓋斯定律將①2-②-③×2可得：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1，
故答案為：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1；

(2) ①恒溫恒容時，氣體的壓強之比等于其物質的量之比，2h時=0.85，設消耗CO2的物質的量為xmol，

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g) V

1 3 1 1 2

xmol 2x mol

則有=0.85，解得x=0.3，

故前2h的平均反應速率v(H2)==0.225 mol·L-1·h-1。

②該溫度下，反應進行5h時達到平衡狀態，此時=0.80，設消耗CO2的物質的量為ymol，則有=0.85，解得y=0.4，

故CO2的平衡轉化率為×100%=40%，

故答案為：0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 ；40%；

(3)設開始時投入CO2和H2的物質的量分別為1mol、3mol，CO2的平衡轉化率為50%，則有：

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。

起始量/mol 1 3 0 0

轉化量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡時p(CO2)=8 MPa×= MPa， p(H2)=8 MPa×=4 MPa，p(CH3OH)=8 MPa×= MPa，p(H2O)=8 MPa×= MPa，

故該反應條件下的平衡常數為Kp===。

故答案為：；

(4)①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱，ΔH<0。

②隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，因氫氣為反應物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，隨著平衡逆向移動，二者的物質的量逐漸減小，由計量數關系可知曲線b代表水，曲線c代表C2H4。

故答案為：< ；C2H4。