Question

【題目】工業上利用CO2和H2催化氫化可以制取甲烷。

（1）已知 ①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O（l） ΔH= -890 kJ·mol-1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH= -572 kJ·mol-1

③H2O(l)=H2O(g) ΔH= +44 kJ·mol-1

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=a kJ·mol-1

據此，a=_________；升高溫度，該反應的v(逆)_____（填“增大”或“減小”）。

（2）在一定壓強、不同溫度下，兩種催化劑分別催化CO2加氫甲烷化反應2h的結果如圖1所示（一定溫度下僅改變催化劑，其他條件不變）：a、b-催化劑I； c、d-催化劑II。甲烷化選擇性：指含碳產物中甲烷的物質的量分數。請據圖1分析：

①催化劑I實驗，400 ℃~450℃時CO2轉化率下降的原因可能為___________(寫1條)。

②催化劑II實驗，檢測密閉容器中產物發現，溫度升高甲烷的選擇性下降是發生了：CO2(g)+ H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH＞0。若保持溫度不變，提高甲烷化選擇性可以采取的措施：______________（寫2條）。

（3）下列與甲烷化反應有關的描述中，正確的是______：

A.單位時間內斷裂1molC=O鍵的同時斷裂1molC-H，說明該反應已達平衡

B.照上述反應使用催化劑，其Ⅰ的活化能比Ⅱ的活化能大

C.在絕熱的密閉容器中進行時，當容器中溫度不變時說明達到平衡

D.催化劑Ⅰ下，300-450℃內，選擇性保持不變的主要原因是其它副反應的速率很慢

（4）催化劑I實驗， 400℃時，向2L固定體積的密閉容器中通入1mol CO2和4mol H2，CH4物質的量隨時間的變化趨勢如圖2時所示，則2h內H2平均反應速率為____________；平衡常數K=____________。若其他條件不變，反應在恒壓條件下進行，請在圖2中畫出反應體系中n(CH4)隨時間t變化的趨勢圖____________________。

Answer 1

【答案】 －166 增大 可能是溫度超過了催化劑最佳活化溫度，催化劑活性下降反應速率減小，使 CO2減少轉化率下降 [ 或：在2h時已達平衡，繼續升溫使放熱反應平衡逆移，導致CO2轉化率下降 改用催化劑I，增加壓強；或同倍數增加CO2、H2濃度，控制溫度在400℃左右 之間 CD 0.5mol·L-1·h-1 0.25L2· mol-2

【解析】（1）根據蓋斯定律，②×2-①+③×2得：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=[-572×2-(-890)+44×2]kJ·mol-1=-166 kJ·mol-1，所以a=-166；升高溫度，正、逆化學反應速率都加快，故升高溫度，該反應的v(逆)增大。

（2）①催化劑只有在合適的溫度時才表現最好的催化活性，可能是溫度超過了催化劑最佳活化溫度，催化劑活性下降反應速率減小，使2h內CO2減少轉化率下降；該反應為放熱反應，升高溫度不利于提高CO2轉化率，若2h時反應已達平衡，繼續升溫使平衡逆向移動，會導致CO2轉化率下降。②由圖可得，使用催化劑I甲烷化選擇性高，若使用催化劑II，400℃左右甲烷化選擇性高；由CO2加氫甲烷化反應方程式可得，增大壓強有利于提高甲烷化選擇性，所以若保持溫度不變，提高甲烷化選擇性可以采取的措施有：改用催化劑I、增加壓強(或同倍數增加CO2、H2濃度)、控制溫度在400℃左右等。

（3）A項，由甲烷化反應方程式可得，斷裂1molC=O鍵同時會生成2molC-H，則斷裂1molC=O鍵的同時斷裂1molC-H，說明該反應并沒有達到平衡，故A錯誤；B項，2h內催化劑Ⅰ的催化效果比催化劑Ⅱ的效果好，因為催化劑降低反應的活化能，所以Ⅰ作用下的活化能比催化劑Ⅱ的小，故B錯誤；C項，甲烷化反應在絕熱的密閉容器中進行時，溫度為變量，所以當溫度不變時說明反應達到平衡，故C正確；D項，催化劑加快化學反應速率，在催化劑Ⅰ作用下，300-450℃內，甲烷化反應速率很快，其它副反應的速率很慢，才會使選擇性保持不變，故D正確。綜上，選CD。

（4）2h甲烷變化0.5mol，則H2變化2mol，故v(H2)=2mol÷2L÷2h=0.5mol·L-1·h-1；根據相關數據列三段式：

平衡常數K==L2mol-2=0.25L2mol-2；若其他條件不變，反應在恒壓條件下進行，則與恒容相比相當于不斷壓縮體積，因此反應速率快且反應程度大，在圖2中畫出反應體系中n(CH4)隨時間t變化的趨勢圖為：。