Question

【題目】對甲烷和 CO2 的高效利用不僅能緩解大氣變暖，而且對日益枯竭的石油資源也有一定的補充作用，甲烷臨氧耦合 CO2 重整反應有：

反應(i)：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g) △ H=－71.4kJmol-1

反應(ii)：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) △ H=+247.0 kJmol-1

(1)寫出表示 CO 燃燒熱的熱化學方程式：_____。

(2)在兩個體積均為 2L 的恒容密閉容器中，起始時按表中相應的量加入物質，在相同溫度下進行反應(ii)：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) (不發生其它反應)，CO2的平衡轉化率如表所示：

容器	起始物質的量(n) / mol				CO2的平衡轉化率
	CH4	CO2	CO	H2
Ⅰ	0.1	0.1	0	0	50％
Ⅱ	0.1	0.1	0.2	0.2	/

①下列條件能說明反應達到平衡狀態的是_____。

A.v正(CH4) =2v逆(CO)

B.容器內各物質的濃度滿足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器內混合氣體的總壓強不再變化

D.容器內混合氣體密度保持不變

②達到平衡時，容器Ⅰ、Ⅱ內 CO 的物質的量的關系滿足：2n(CO)Ⅰ_____n(CO)Ⅱ(填“＞”、“＝”或“＜”)

(3)將一定量的甲烷和氧氣混合完成反應(i)，其他條件相同，在甲、乙兩種不同催化劑作用下， 相同時間內測得 CH4 轉化率與溫度變化關系如圖所示。c 點_____(填“可能”、“一定”或“一定未”)達到平衡狀態，理由是_____。

(4)CO2 也可通過催化加氫合成乙醇，其反應原理為：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) H<0。設 m 為起始時的投料比，即 m= n(H2)/ n(CO2)。通過實驗得到下列圖象：

圖1 圖2 圖3

①圖 1 中投料比相同，溫度從高到低的順序為_________。

②圖 2 中 m1、m2、m3 從大到小的順序為_________。

③圖 3 表示在總壓為 5 MPa 的恒壓條件下，且 m=3 時，平衡狀態時各物質的物質的量分數與溫度的關系。T4 溫度時，該反應壓強平衡常數KP的計算式為_________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數，代入數據，不用計算)。

Answer 1

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g) △ H=－282.7kJmol-1 C ＞ 一定未 催化劑不會影響平衡轉化率，在相同條件下，乙催化劑對應的 c 點的轉化率沒有甲催化劑對應的 b 點的轉化率高，所以 c 點一定未平衡 T3＞T2＞T1 m1＞m2＞m3

【解析】

(1)書寫燃燒熱的熱化學方程式，一定要保證：可燃物的化學計量系數為1；可燃物發生完全燃燒；生成產物是在常溫常壓下穩定存在的物質，根據蓋斯定律可得： ；

(2) ①A．2v正(CH4) =v逆(CO)時，反應才達到平衡狀態，A項錯誤；

B．由于平衡常數未知，所以濃度滿足上式不一定處于平衡狀態，B項錯誤；

C．由于該反應是在恒溫恒容條件下進行的，且屬于非等體積反應，根據公式可知，當壓強不變，該反應一定達到平衡，C項正確；

D．由于該反應是在恒溫恒容條件下進行的，且全為氣體參與，根據公式可知，密度恒定與平衡狀態無關，D項錯誤；

答案選C。

②構造容器Ⅲ：除起始物質只加入0.2molCH4和0.2molCO2外，其他條件與Ⅰ、Ⅱ相同；通過分析可知容器Ⅱ、Ⅲ中的平衡等效。容器Ⅲ相比于容器Ⅰ，進料增加了一倍，考慮到反應方程式，所以Ⅲ相比于Ⅰ，平衡逆移，CO的含量下降，所以2n(CO)Ⅰ＞n(CO)Ⅱ；

(3)催化劑對于平衡無影響，相同條件下，加入甲催化劑達到的轉化率b高于加入乙催化劑的轉化率c，所以c點對應的一定不是平衡狀態；

(4) ①由于該反應放熱，所以溫度越高反應物轉化率越低，所以T3＞T2＞T1；

②對于兩種反應物的反應，增加其中一種物質的投料，會使另一種物質的轉化率提高，所以m1＞m2＞m3；

③由于投料按照化學計量系數比進行，所以反應任意時刻，n(H2):n(CO2)=3:1，且n(乙醇)：n(水)=1:3；所以圖中c線為H2，d線為CO2，a線為水，b線為乙醇；結合數據可知，T4時，平衡狀態時，H2含量為0.375，CO2為0.125，水為0.375，乙醇為0.125。所以壓強平衡常數的表達式為：。